2010+第十四章+堰流和闸下出流 流体力学.doc

第九章 堰闸水流 学习要点：水利、土木、市政和环境类专业应熟练掌握，其它专业掌握堰闸水流的分类及其判别、堰流（宽顶堰、实用堰及薄壁堰）、闸孔出流的水力计算；水利、土木和环境类专业应掌握，其它专业了解水工建筑物下游的衔接形式、消能工的类型选择及主要尺寸确定；了解新型消能工的发展现状和动态；水工、水电、农水掌握专业，其它专业了解桥梁过流的水力计算。 第一节 堰流及其特性 一、堰和堰流 1.特征量 在明渠流中，为控制水位和流量而设置的顶部溢流障碍物称为堰，在水工中叫做坝，水流经堰顶溢流使堰前水面壅高，堰上水面降落，这种急变流现象称为堰流，如图9—1所示。在水利及市政等工程中，溢流堰是主要的泄水建筑物，常用作溢流集水设备和量水设备；在实验室常用作流量量测设备。研究堰流主要是分析堰的上、下游水流流态，分析堰的过流能力。堰流的各项特征量如下： ①.堰宽：水流漫过堰顶的宽度； ②.堰顶厚度：； ③.堰上水头：上游水位在堰顶上最大超高； ④.堰上、下游坎高； ⑤.堰下游水深； ⑥.上游渠道宽(上游来流宽度)； ⑦.行近流速(上游来流速度)。 2.堰流有以下水力特征： ①.堰的上游水流受阻，水面壅高，势能增大；堰顶水深变小，速度变大，动能增大，势能转化为动能。 ②.堰流是从缓流到急流的过渡。堰流的水力计算中考虑局部阻力、忽略沿程阻力。 ③.水流在流过堰顶时，一般在惯性作用下会脱离堰，水流会收缩。 二、堰的分类 按堰顶宽度与堰上水头的比值范围将堰分为薄壁堰、实用堰、宽顶堰三类。 1.薄壁堰 堰前来流由于受堰壁阻挡，底部水流因惯性作用上弯。当水舌回落到堰顶高程时，距上游壁面约；当堰顶厚时，如图9—2所示，水舌不受堰宽的影响，堰和过堰水流就只有一条边线接触，堰顶厚度对水流无影响，故称为簿壁堰。薄壁堰主要用作测量流量的设备。 2.实用堰 堰顶厚度大于薄壁堰，堰顶厚对水流有一定的影响，堰上水面是一次性连续降落与下游水流衔接，这样的堰型称为实用堰。如图9—3所示，实用堰的剖面有曲线型和折线型两种，溢流坝一般都采用曲线型实用堰。 3.宽顶堰 堰顶厚度较大，与堰上水头的比值超过2.5，但小于10，堰顶厚对水流有显著影响，在堰坎进口水面发生一次降落后。堰上水流近似于水平流动。至原坎出口水面再次降落与下游水流衔接，这种堰型称为宽顶堰，如图9—4所示。桥梁过流属于宽顶堰流。 堰宽增至，沿程水头损失不能忽略，流动已不属于堰流，按明渠流动计算。 第二节 宽顶堰流 一、基本公式 1．自由式出流 如图9—5所示宽顶堰自由式出流，在堰进口不远处，水面降落。形成小于临界水深的收缩水深堰上水流为急流，水面近似平行堰顶，在宽顶堰的上游取一渐变流断面1—1、再取堰顶上的收缩断面为另一渐变流断面，以堰顶为基准面，列上述构断面的能量方程。 (9—1) 现设为包括行近流速水头的堰上水头，又令，是修正系数，它取决于堰口的形状和过流断面的变化，与为相应断面的动能修正系数，是局部阻力系数，代入上式，得： (9—2) (9—3) 式中：————堰宽； ————流速系数， ； (9—4) 这里，局部阻力系数与堰口形式和过流断面的变化有关： ————流量系数， (9—5) 别列津斯基根据实验，提出经验公式，矩形直角进口宽顶堰如图9—6所示。 ： (9—6) 当时: 矩形修圆进口宽顶堰 当0≤≤3.0: (9—7) 当3.0时: m=0.36 (9—8) 2．淹没式出流 当堰流下游水位较高，下游水流顶部高过堰上水流顶部，堰上水深由小于临界水 深变为大于临界水深，水流由急流变为缓流。下游干扰波向上游传播。称为淹没式溢流，如图9—7所示。 形成淹没溢流的必要条件：下游水位高于堰顶，即 形成掩没堰流溢流的充分条件： (9—9) 淹没宽顶堰出流的溢流量： (9—10) 式中，为淹没系数，随淹没程度的增大而减小 宽顶堰的淹没系数见表9—l所示。 3.侧收缩的影响 堰宽小于上游渠道宽时，水流进堰口后，水流与侧壁发生分离，使堰流的过