第九章-流體力學(xué)--堰流

1、學(xué)習(xí)重點(diǎn)：學(xué)習(xí)重點(diǎn)：掌握堰流分類及相關(guān)概念；掌握堰流分類及相關(guān)概念；掌握寬頂堰、薄壁堰和實(shí)用堰水力計(jì)算；掌握寬頂堰、薄壁堰和實(shí)用堰水力計(jì)算；（3）能量損失計(jì)算式。）能量損失計(jì)算式。 （1）能量方程；）能量方程；（2）總流的連續(xù)性方程；）總流的連續(xù)性方程； 任務(wù)：任務(wù)： 計(jì)算過流量計(jì)算過流量Q。依據(jù)：依據(jù)：91 概述概述1、堰：、堰：在明渠緩流中設(shè)置障壁，它即能壅高渠在明渠緩流中設(shè)置障壁，它即能壅高渠中的水位，又能自然溢流，一種既可蓄中的水位，又能自然溢流，一種既可蓄又可泄的溢流設(shè)施。又可泄的溢流設(shè)施。2、堰流：、堰流：緩流經(jīng)明渠上的泄水構(gòu)筑物時(shí)，越過阻水的緩流經(jīng)明渠上的泄水構(gòu)筑物時(shí)，越過阻水的

2、堰墻溢出流動(dòng)的局部水力現(xiàn)象。堰墻溢出流動(dòng)的局部水力現(xiàn)象。一、堰和堰流一、堰和堰流 堰的上游水流受阻，水面壅高，勢(shì)能增大；在堰頂上由于水深變小，流線收縮，速度變大，使動(dòng)能增大；勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，水面下跌。堰流一般從緩流向急流過渡，形成急變流。因此，堰流的水力計(jì)算主要是局部阻力，其沿程阻力可忽略。水流在流過堰頂時(shí)，一般在慣性的作用下均會(huì)脫離堰（構(gòu)筑物），在表面張力的作用下，具有自由表面的液流，水流會(huì)收縮。 3、堰流的水力特性如下：、堰流的水力特性如下： 研究堰流的主要目的：研究堰流的主要目的： 探討流經(jīng)堰的流量探討流經(jīng)堰的流量Q及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系。及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系。 堰流的

3、基本特征量（圖堰流的基本特征量（圖9-1） 1.堰頂水頭堰頂水頭H； 2.堰寬堰寬b； 3.上游堰高上游堰高P、下游堰、下游堰P1； 4.堰頂厚度堰頂厚度； 5.上、下水位差上、下水位差Z；6.堰前行近流速堰前行近流速0。（圖（圖9-1）寬頂堰：寬頂堰： H 0.67薄壁堰：薄壁堰：實(shí)用堰：實(shí)用堰：H 2.50.67 2.5（1） 依據(jù)堰頂厚度：依據(jù)堰頂厚度：H二、堰的分類二、堰的分類 （2） 依據(jù)水流行近堰體的條件：依據(jù)水流行近堰體的條件：1 側(cè)收縮堰（側(cè)收縮堰（b 無側(cè)收縮堰（無側(cè)收縮堰（b=B）。）。Bb1 正堰正堰vv3 側(cè)堰側(cè)堰v2 斜堰斜堰（3） 依據(jù)堰與渠道中水流的方向：依據(jù)堰與

4、渠道中水流的方向：（4） 依據(jù)堰口的形狀：依據(jù)堰口的形狀：1 三角堰三角堰3 梯形堰梯形堰2 矩形堰矩形堰1 自由式；自由式；2 淹沒式。淹沒式。4 流線形堰流線形堰（5） 依據(jù)下游水位是否影響泄流：依據(jù)下游水位是否影響泄流：92 寬頂堰溢流寬頂堰溢流 小橋過水、無壓短涵管、分洪閘、泄水閘等小橋過水、無壓短涵管、分洪閘、泄水閘等一般都屬于寬頂堰水流計(jì)算。一般都屬于寬頂堰水流計(jì)算。1、水力現(xiàn)象分析：、水力現(xiàn)象分析：（1）當(dāng)）當(dāng)H 42.5 時(shí)，堰頂水面只有一次跌落，時(shí)，堰頂水面只有一次跌落，堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深 h cr 。工程中常見的是第二種寬頂堰工

5、程中常見的是第二種寬頂堰時(shí)，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，時(shí)，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，H 104 （2）當(dāng)）當(dāng)其水深為：其水深為：h c（0.80.92）h cr在最大跌落處形成收縮斷面，在最大跌落處形成收縮斷面，一、自由式無側(cè)收縮寬頂堰一、自由式無側(cè)收縮寬頂堰 主要特點(diǎn)：進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深，此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深，以后形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，水面在堰尾第二次下降，如圖9-2。 1.自由式無側(cè)收縮寬頂堰的流量公式自由式無側(cè)收縮寬頂堰的流量公式 取1-1，2-2斷面寫能量方程： 令 則則 令令 ，則得寬頂堰的流量公式：，則得寬頂堰的流量公式： 式中：式中： 堰進(jìn)口處的局部水頭損失；

6、堰進(jìn)口處的局部水頭損失； 流速系數(shù)，流速系數(shù)， m堰流量系數(shù)，堰流量系數(shù)， 。一般地，。一般地，m值在值在0.32-0.38之間。之間。 2.流量系數(shù)的計(jì)算流量系數(shù)的計(jì)算 別列津斯基（前蘇聯(lián)，別列津斯基（前蘇聯(lián)，1950）根據(jù)實(shí)驗(yàn)，提出流量系）根據(jù)實(shí)驗(yàn)，提出流量系數(shù)數(shù)m的經(jīng)驗(yàn)公式：的經(jīng)驗(yàn)公式：當(dāng)當(dāng) 時(shí)：時(shí)： 直角邊緣進(jìn)口：直角邊緣進(jìn)口：m=0.32，圓角進(jìn)口：，圓角進(jìn)口：m=0.36 當(dāng)當(dāng) 時(shí)：時(shí)： 直角邊緣進(jìn)口：直角邊緣進(jìn)口： 直角邊緣修圓：直角邊緣修圓： 二、側(cè)收縮寬頂堰（二、側(cè)收縮寬頂堰（b0 充分條件：充分條件： 流量公式：流量公式： 式中，式中，s為淹沒系數(shù)。隨淹沒程度為淹沒系數(shù)。隨

7、淹沒程度hs/H0的增大而減小，的增大而減小，見表見表9-1。o例：某矩形斷面渠道，為引水灌溉修筑寬頂堰（如圖）。已知渠道寬B=3m，堰寬b=2m，坎高P=P1=1m，堰上水頭H=2m，堰頂為直角進(jìn)口，單孔，邊墩為矩形，下游水深h=2m。試求過堰流量。 解解:（1）判別出流形式）判別出流形式 hs=h-P=1m0 必要條件必要條件 充分條件充分條件 滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自由式溢流。由式溢流。 b B ，有側(cè)收縮。綜上所述，本堰為自由溢，有側(cè)收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側(cè)收縮的寬頂堰。流有側(cè)收縮的寬頂堰。 （2）計(jì)算流量系數(shù)）

8、計(jì)算流量系數(shù)m : 堰頂為直角進(jìn)口，堰頂為直角進(jìn)口，P/H=0.53，則，則（3）計(jì)算側(cè)收縮系數(shù)）計(jì)算側(cè)收縮系數(shù) （4）計(jì)算流量：自由溢流有側(cè)收縮寬頂堰）計(jì)算流量：自由溢流有側(cè)收縮寬頂堰 其中其中 用迭代法求解用迭代法求解Q，第一次取，第一次取H 0(1)H 第二次近似，取第二次近似，取 第三次近似，取第三次近似，取 本題計(jì)算誤差限值定為本題計(jì)算誤差限值定為1%，則過堰流量為，則過堰流量為Q=Q(3) =8.48m3/s 93 薄壁堰和實(shí)用堰溢流薄壁堰和實(shí)用堰溢流薄壁堰和實(shí)用堰雖然堰型和寬頂堰不同，但堰薄壁堰和實(shí)用堰雖然堰型和寬頂堰不同，但堰流的受力性質(zhì)（受重力作用，不計(jì)沿程阻力）和運(yùn)流的受力

9、性質(zhì)（受重力作用，不計(jì)沿程阻力）和運(yùn)動(dòng)形式（緩流經(jīng)障壁頂部溢流）相同，因此具有相動(dòng)形式（緩流經(jīng)障壁頂部溢流）相同，因此具有相似的規(guī)律性和相同結(jié)構(gòu)的基本公式。似的規(guī)律性和相同結(jié)構(gòu)的基本公式。1、矩形薄壁堰、矩形薄壁堰一、薄壁堰一、薄壁堰 1）. 基本公式基本公式 因水流特點(diǎn)相同，基本公式的結(jié)構(gòu)形式同式。對(duì)于自由式溢流因水流特點(diǎn)相同，基本公式的結(jié)構(gòu)形式同式。對(duì)于自由式溢流為了能以實(shí)測(cè)的堰上水頭直接求得流量，將行近流速水頭為了能以實(shí)測(cè)的堰上水頭直接求得流量，將行近流速水頭 gv2200的影響計(jì)入流量系數(shù)內(nèi)，則基本公式改寫為的影響計(jì)入流量系數(shù)內(nèi)，則基本公式改寫為式中式中m0是計(jì)入行近流速水頭影響的流量

10、系數(shù)，需由實(shí)是計(jì)入行近流速水頭影響的流量系數(shù)，需由實(shí)驗(yàn)確定。驗(yàn)確定。1898年法國工程師巴贊提出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。年法國工程師巴贊提出了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。 2）.無側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰：無側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰： m0采用巴贊公式計(jì)算：采用巴贊公式計(jì)算： 公式適用范圍：公式適用范圍：b=0.2-2.0m，P=0.24-0.75m，H=0.05-1.24m，式中，式中H、P均以均以m計(jì)。計(jì)。 3）. 有側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰：有側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)的矩形正堰： 4.矩形薄壁堰的淹沒判別條件（如圖）矩形薄壁堰的淹沒判別條件（如圖） 1）堰下游水位高出

11、堰頂標(biāo)）堰下游水位高出堰頂標(biāo)高，即高，即zhc 充分條件充分條件 淹沒溢流時(shí)，不僅堰的過水能力降低，而且下游水淹沒溢流時(shí)，不僅堰的過水能力降低，而且下游水面波動(dòng)較大，溢流不穩(wěn)定。所以用于測(cè)量流量用的薄壁堰，面波動(dòng)較大，溢流不穩(wěn)定。所以用于測(cè)量流量用的薄壁堰，不宜在淹沒條件下工作。不宜在淹沒條件下工作。 2、三角形堰、三角形堰可分成若干矩形堰，再積分?？煞殖扇舾删匦窝撸俜e分。 設(shè)三角形堰的夾角為設(shè)三角形堰的夾角為，自頂點(diǎn)算起，自頂點(diǎn)算起的堰上水頭為的堰上水頭為H，將微小寬度，將微小寬度db看成看成薄壁堰流，則微小流量的表達(dá)式為薄壁堰流，則微小流量的表達(dá)式為dbhgmdQ23022tan)(hH

12、bdhdb2tan25002302254222HgmdhhgmQHtantan當(dāng)當(dāng)=900,H=0.050.25m時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得出時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得出m0=0.395，于是，于是2541 HQ.當(dāng)當(dāng)=900,H=0.250.55m時(shí)，另有經(jīng)驗(yàn)公式時(shí)，另有經(jīng)驗(yàn)公式4723431.HQ式中式中H為自堰口頂點(diǎn)算起的堰上水頭，單為自堰口頂點(diǎn)算起的堰上水頭，單位以位以m計(jì)，流量計(jì)，流量Q單位以單位以m3/s計(jì)。計(jì)。二、實(shí)用溢流堰二、實(shí)用溢流堰真空堰真空堰非真空堰非真空堰（2） 折線型實(shí)用堰折線型實(shí)用堰（1） 曲線型實(shí)用堰曲線型實(shí)用堰折線型折線型曲線型曲線型主要用于蓄水或擋水，其剖面可設(shè)計(jì)成主要用于蓄水或擋水，其剖面可設(shè)計(jì)成 曲線型，折線型。曲線型，折線型。1、分類：、分類：判別淹沒條件同薄壁堰。判別淹沒條件同薄壁堰。 2、計(jì)算式、計(jì)算式（1）自由式