工程流体力学第7章堰流和闸孔出流.ppt

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1、 第第7章章 堰流和闸孔出流堰流和闸孔出流学习重点学习重点7-1 概述概述 7-2 薄壁堰薄壁堰7-3 实用堰实用堰7-4 宽顶堰宽顶堰7-5 小桥桥孔过流的水力计算小桥桥孔过流的水力计算7-6 无压涵洞的水力计算无压涵洞的水力计算7-7 闸孔出流闸孔出流7-8 泄水建筑物下游的消能与衔接泄水建筑物下游的消能与衔接第第7章章 堰流和闸孔出流堰流和闸孔出流学习重点：学习重点：1.堰流及闸孔出流的概念，堰的分类。堰流及闸孔出流的概念，堰的分类。2.堰流过流能力的基本公式。堰流过流能力的基本公式。3.宽顶堰流的水力计算。宽顶堰流的水力计算。7-1 概述概述堰流堰流明明渠渠水水流流受受障障碍碍物物或或

2、建建筑筑物物的的影影响响，上上游游水水位位雍雍高高，然然后后水水面面降降落落，这这种种水水流流从从障障碍碍物物上溢流至下游的水流现象称为堰流。上溢流至下游的水流现象称为堰流。上述建筑物或障碍物称为上述建筑物或障碍物称为堰堰。堰流堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用，水流从建筑物顶部自由下泄。对水流不起控制作用，水流从建筑物顶部自由下泄。闸孔出流闸孔出流：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而：顶部闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出。一、堰流及闸孔出流的概念一、堰流及

3、闸孔出流的概念1、堰堰流流和和闸闸孔孔出出流流的的区区别别：堰堰流流的的水水面面线线是是光光滑滑的的降降落落曲曲线线；闸闸孔孔出出流流的的上上下下游游水水面面是是不不连连续续的的。由由于于边边界界条条件件的的这这种种差差异异，它们的水流特征及过水能力也不相同。它们的水流特征及过水能力也不相同。2、堰堰流流和和闸闸孔孔出出流流的的相相同同点点：引引起起壅壅水水，然然后后水水面面降降落落，是是在在重重力力作作用用下下形形成成的的一一种种水水流流运运动动，都都是是从从势势能能转转化化为为动动能能的的过过程程。都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。3、堰流和闸孔出

4、流的、堰流和闸孔出流的转化转化：闸底坎为平顶堰时：闸底坎为平顶堰时：闸孔出流闸孔出流 堰流堰流闸底坎为曲线型堰时闸底坎为曲线型堰时 闸孔出流闸孔出流 堰流堰流二、堰流及闸孔出流的特征二、堰流及闸孔出流的特征三、堰流的基本特征量三、堰流的基本特征量堰的堰的几何要素：几何要素：b：堰堰宽宽B：渠渠宽宽 ：堰堰顶顶厚度厚度P1：上游堰高上游堰高P2：下游堰高下游堰高水流的几何要素：水流的几何要素：H：堰上水堰上水头头v0：行近流速行近流速 ：堰上堰上总总水水头头h：下游水深下游水深 （一）（一）按按与与H的相的相对对大小分大小分类类 薄壁堰：薄壁堰：实实用堰：用堰：宽顶宽顶堰：堰：四、堰流的分类四、

5、堰流的分类（二）（二）按堰下游水位按堰下游水位h对对堰的影响分堰的影响分类类自由堰自由堰：下游水位下游水位较较低，不影响堰的出流条件。低，不影响堰的出流条件。淹没堰淹没堰：下游水位下游水位较较高或下游堰高高或下游堰高较较小，堰小，堰顶顶出流出流受到受到顶顶托作用，影响了堰的托作用，影响了堰的过过流能力，使流量减小。流能力，使流量减小。（三）（三）按按B和和b的的变变化分化分类类有有侧侧收收缩缩堰堰：Bb。无无侧侧收收缩缩堰堰：B=b。四、堰流的分类四、堰流的分类（四）（四）其他分类其他分类按堰孔形状可将堰分为矩形堰、三角形堰、按堰孔形状可将堰分为矩形堰、三角形堰、梯形堰、曲线形堰等。梯形堰、曲

6、线形堰等。列堰前断面与堰顶断面的能量方程：列堰前断面与堰顶断面的能量方程：hc0=kH0。堰流流量公式：堰流流量公式：五、堰流过流能力的基本公式五、堰流过流能力的基本公式令令m为为流量系数，与堰流量系数，与堰顶顶水水头头和堰的和堰的边边界条件有关。界条件有关。Q mb（2g）1/2H03/2 一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流1、定义、定义：堰口形状为矩形的薄壁堰。堰口形状为矩形的薄壁堰。2、薄壁堰用于量测设备时的要求：、薄壁堰用于量测设备时的要求：矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流上游渠宽与堰宽相同上游渠宽与堰宽相同下游水位低于堰顶下游水位低于堰顶堰上水头堰上水头H不宜过

7、小，一般不宜过小，一般H2.5cm水舌下面的空水舌下面的空间应间应与大气相通，所以要求下游水位不能太与大气相通，所以要求下游水位不能太高。高。7-2薄壁堰薄壁堰 3、计算公式、计算公式m0包含行近流速影响在内的流量系数包含行近流速影响在内的流量系数一、矩形薄壁堰流一、矩形薄壁堰流1、定义定义：堰口形状为三角形的薄壁堰。堰口形状为三角形的薄壁堰。2、应用应用当当测测量的流量量的流量较较小一般用三角形薄壁堰。小一般用三角形薄壁堰。3、计计算公式算公式二、三角形薄壁堰流二、三角形薄壁堰流H25cmH25cm当当Q较大而又不能用无侧收缩矩形堰时，常采用梯形堰。较大而又不能用无侧收缩矩形堰时，常采用梯形

8、堰。三、梯形薄壁堰流三、梯形薄壁堰流令令 ，得，得实验实验研究表明，当研究表明，当时时，流量系数，流量系数mt不随不随H及及b变变化，且化，且约为约为0.42。7-3 实用堰实用堰一、剖面形状一、剖面形状 折线形折线形 曲线形曲线形二、曲线形实用堰二、曲线形实用堰（一）（一）曲线型实用堰的剖面形状曲线型实用堰的剖面形状合理的剖面形状应当具有下列优点：合理的剖面形状应当具有下列优点：过水能力大过水能力大堰面不出现过大的负压堰面不出现过大的负压经济、稳定经济、稳定 （一）（一）曲线型实用堰的剖面形状曲线型实用堰的剖面形状组组成成：1.上游堰面上游堰面AB，可垂直或，可垂直或倾倾斜斜：2.堰堰顶顶溢

9、流段溢流段BC：3.下游堰面直下游堰面直线线段段CD:4.堰面与下游河床相切的反弧段堰面与下游河床相切的反弧段DE:堰顶曲线堰顶曲线BC对水流特性的影响最大，是设计曲线对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲线段方法，主要区别在于曲线段BC如何确定。如何确定。实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成。加修改而成。（一）（一）曲线型实用堰的剖面形状曲线型实用堰的剖面形状实验研究表明，曲线型适实验研究表明，曲线型适用堰的流量系数主要决

10、定用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之于上游堰高与设计水头之比比P1/Hd、堰顶全水头与设、堰顶全水头与设计水头之比计水头之比0/Hd 以及上游以及上游面的坡度。面的坡度。（二）（二）曲线型实用堰的流量系数曲线型实用堰的流量系数 侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面经验公式计算：响。可由下面经验公式计算：式中：式中：n为堰孔数；为堰孔数；H0为堰顶全水头；为堰顶全水头；为边墩形状系数；为边墩形状系数；为闸墩形态系数。为闸墩形态系数。（三）（三）侧收缩系数侧收缩系数实实用堰的淹没条件也是下游水面高出堰用堰的淹没条件也是下

11、游水面高出堰顶顶和堰下形成和堰下形成淹没式水淹没式水跃跃。淹没系数反映下游水位及。淹没系数反映下游水位及护护坦高程坦高程对过对过水能力的影响，当水能力的影响，当实实用堰形成淹没出流用堰形成淹没出流时时，其淹没系，其淹没系数数s与堰的相与堰的相对对淹没深度淹没深度hs/H有关（其中有关（其中hs为为堰的下游堰的下游水位高出堰水位高出堰顶顶的高度）的高度）。（四）（四）曲线型实用堰的淹没系数曲线型实用堰的淹没系数7-4 宽顶堰宽顶堰一一.无侧收缩自由式宽顶堰无侧收缩自由式宽顶堰工程中，堰口形状一般为矩形工程中，堰口形状一般为矩形直角直角进进口：口：当当0P/H3 当当P/H3,m=0.32 圆圆角

12、角进进口口(r/H0.2)当当0P/H3 当当P/H3，m=0.36 二、无侧收缩淹没式宽顶堰二、无侧收缩淹没式宽顶堰水流特点水流特点淹没标准淹没标准 hs0.8H0计算公式计算公式三三、侧收缩宽顶堰、侧收缩宽顶堰自由式侧收缩宽顶堰的流量公式为自由式侧收缩宽顶堰的流量公式为淹没式侧收缩宽顶堰淹没式侧收缩宽顶堰 7-5 小桥桥孔过流的水力计算小桥桥孔过流的水力计算（一）（一）自由出流自由出流若若h1.3hc，下游水位不影响，下游水位不影响桥桥孔孔过过流，称流，称为桥为桥孔孔自由出流。自由出流。一、小桥桥孔过流的水力特征一、小桥桥孔过流的水力特征（二）（二）淹没出流淹没出流若若h 1.3hc，下游

13、水位影响桥孔过流，此时为桥孔，下游水位影响桥孔过流，此时为桥孔淹没出流淹没出流。二、二、小桥桥孔过流的水力计算小桥桥孔过流的水力计算1.计算临界水深计算临界水深2.计算小桥孔径计算小桥孔径自由出流，桥下河槽水深自由出流，桥下河槽水深淹没出流，桥下河槽水深淹没出流，桥下河槽水深hc0=h，3.按采用的标准孔径按采用的标准孔径验算桥孔过流情况验算桥孔过流情况 按采用的按采用的标标准孔径准孔径B，重新，重新计计算算hc，判，判别桥别桥孔出流孔出流形式并形式并计计算算桥桥下河槽的流速下河槽的流速v。v应应小于小于vmax自由出流自由出流 淹没出流淹没出流二、小桥桥孔过流的水力计算二、小桥桥孔过流的水力

14、计算4.计算桥梁雍水计算桥梁雍水 桥梁壅水水深要控制在规范允许的范围内。桥梁壅水水深要控制在规范允许的范围内。自由出流自由出流 淹没出流淹没出流 桥前壅水水深桥前壅水水深7-6无压涵洞的水力计算无压涵洞的水力计算一、无压涵洞的分类一、无压涵洞的分类按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头的高低，按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头的高低，水流通过涵洞时可分为无压力流、半压力流和压水流通过涵洞时可分为无压力流、半压力流和压力流三种状态，相应地将涵洞分为力流三种状态，相应地将涵洞分为 无压涵洞、半压力涵洞与全压力涵洞。无压涵洞、半压力涵洞与全压力涵洞。二、无压涵洞的水力条件二、无压涵洞的水力条件设设涵前水

15、深涵前水深为为H，下游水深，下游水深为为h,涵洞洞身涵洞洞身净净高高为为hT，实验实验得知，要保得知，要保证为证为无无压压涵洞，需涵洞，需满满足足以下水力条件：以下水力条件：下游水深小于涵洞下游水深小于涵洞净净高，即高，即h0）。）。平坡涵洞使用中易在涵洞内平坡涵洞使用中易在涵洞内积积水，影响路基水，影响路基稳稳定性，定性，工程中一般尽量避免采用。工程中一般尽量避免采用。对对于正坡无于正坡无压压涵洞，根据底坡大小和涵洞，根据底坡大小和长长度不同，分以度不同，分以下三种情况下三种情况对对水力水力现现象象进进行分析。行分析。（1）缓缓坡无坡无压压涵洞（涵洞（iic）当涵洞坡度当涵洞坡度过过小小时时

16、，易使收，易使收缩缩断面淹没，断面淹没，为为了避免了避免这这种情况，工程上通常将涵洞底坡增大到等于或略大于种情况，工程上通常将涵洞底坡增大到等于或略大于临临界坡来解决，坡度界坡来解决，坡度过过小的小的缓缓坡涵洞尽量少采用。坡涵洞尽量少采用。（二）（二）水力计算水力计算短涵的过流能力可按宽顶堰计算短涵的过流能力可按宽顶堰计算长涵的过流能力按明渠水流计算。长涵的过流能力按明渠水流计算。7-7 闸孔出流闸孔出流一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流 1.底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算2.底坎为宽顶堰型闸孔淹没出流的水力计算底坎为宽顶堰型闸孔

17、淹没出流的水力计算二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流 一、消能类型一、消能类型（一）（一）面流式消能面流式消能当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除。7-8 泄水建筑物下

18、游的消能与衔接泄水建筑物下游的消能与衔接（二）（二）挑流式消能挑流式消能 利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流利用下泄水流所挟带的巨大动能，因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。会危及建筑物的安全。一、消能类型一、消能类型一、消能类型一、消能类型（三）（三）底流式消能底流式消能 在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈紊动达到消能的目的。旋滚和强烈紊动达到消能的目的。消能池深度消能池深度 d 的计算的计算消力池长度的计算消力池长度的计算 L=0.8Ly 二、底流消能的水力计算二、底流消能的水力计算