综合项目工程水力学复习资料.doc

工程水力学

复 习 要 点
液体重要物理性质
持续介质、密度、粘滞性、压缩性、表面张力
一、水跃复习要点
1.棱柱体水平明渠水跃方程
2.共轭水深计算
3.水跃跃长计算
1、一、水跃概念
水跃（hydraulic jump）：是明槽水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起局部水力现象。
水跃分区 旋滚区：水跃区域上部呈饱搀空气表面旋滚似水涡。
主流区：水跃区域下部为在铅直平面内急剧扩张迈进水流。

水跃区几种要素
跃前水深 ——跃前断面（表面旋滚起点所在过水断面）水深；
跃后水深 ——跃后断面（表面旋滚终点所在过水断面）水深；水跃高度a=h“-h’
水跃长度 ——跃前断面与跃后断面之间距离
二、水跃基本方程
 1. 水跃函数

 2.水跃基本方程

式中 、分别为跃前水深、跃后水深，称为共轭水深，即对于某一流量Q，具备相似水跃函数 那两个水深，即为共轭水深
三、水跃形式
临界水跃：当 时，水跃跃首刚好发生在收缩断面上，跃后水深等于下游水深，称为临界水跃。
远离式水跃：当 时，水跃发生在收缩断面之后，跃后水深不不大于下游水深，称为远离式水跃。
沉没水跃：当 时，当下游水深不不大于临界水跃跃后水深时，水跃沉没收缩断面，称为沉没水跃。

二、堰流及闸孔出流复习要点
1、概    述
堰和堰流：无压缓流经障壁溢流时,上游发生壅水,然后水面跌落,这一局部水力现象称为堰流（Weir Flow）;障壁称为堰。
堰流基本特性量
1.堰顶水头H；    
2.堰宽b；    
3.上游堰高P、下游堰高P1；    
4.堰顶厚度δ；    
5.上、下水位差z；
6.堰前行近流速υ0。
堰分类

堰流及孔流界限
堰流：当闸门启出水面，不影响闸坝泄流量时。
孔流：当闸门未启出水面，以致影响闸坝泄流量时。
堰流和孔流鉴别式
  （1）宽顶堰式闸坝
      堰流：  e/H ≥0.65       孔流：  e/H <0.65
  （2）实用堰式闸坝（闸门位于堰顶最高点时）
      堰流： e/H ≥0.75       孔流：  e/H <0.75
      式中：  e——闸门启动高度；               H——堰孔水头。

2、堰流基本公式
式中:m——堰流流量系数，m=
堰流公式
式中： ——沉没系数， ≤1.0；
      ——侧收缩系数， ≤1.0 。
          m0——计及行近流速流量系数。
例：某矩形断面渠道，为引水灌溉修筑宽顶堰（如图10-19）。已知渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坎高P=P1=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，单孔，边墩为矩形，下游水深h=2m。试求过堰流量。
解:（1）鉴别出流形式
hs=h-P=1m>0  ————   必要条件  
——充分条件
满足沉没溢流必要条件，但不满足充分条件，为自由式溢流。 b< B ，有侧收缩。综上所述，本堰为自由溢流有侧收缩宽顶堰。
（2）计算流量系数m ：堰顶为直角进口，P/H=0.5<3，则由公式得

（3）计算侧收缩系数 

（4）计算流量：自由溢流有侧收缩宽顶堰
其中
用迭代法求解Q，第一次取H 0(1)≈H

第二次近似，取

第三次近似，取

本题计算误差限值定为1%，则过堰流量为Q=Q(3) =8.48m3/s
（5）校核堰上游流动状态

上游来流为缓流，流经障壁形成堰流，上述计算有效。用迭代法求解宽顶堰流量高次方程，是一种基本办法，但计算繁复，可编程用计算机求解。
三、泄水建筑物下游水流衔接与消能复习要点
泄水建筑物下游水流特性体现为:流速高、水深小、单宽流量大、能量集中。下泄水流对河床具备极大破坏性，直接威胁大坝自身安全。
底流消能水力计算
挑流消能水力计算
底流式消能(underflow energy dissapition）在建筑物下游采用一定工程办法，控制水跃发生位置，通过水跃产生表面旋滚和强烈紊动来消除余能。

挑流式消能(ski-jump energy dissapition)将水流挑射至远离建筑物下游，使下落水舌对河床冲刷不会危及建筑物安全。下泄水流余能一某些在空中消散，大某些在水舌落入下游河道后被消除。

面流式消能(surface flow energy dissapition)
将下泄高速水流导向下游水流上层，主流与河床被巨大底部旋滚隔开。余能重要通过水舌扩散，流速分布调节及底部旋滚与主流互相作用而消除
§9.1 底流消能水力计算
v 泄水建筑物下游收缩断面水深计算
v 泄水建筑物下游水跃位置及其对消能影响
v 控制水跃位置工程办法
例题
某 WES 堰,顶设计水头Hd = 3.2 m，设计水头下溢流堰流量系数 md = 0.502，流速系数 为0.95，上下游堰高均为 30 m,下游水深 ht = 4.6 m。
（1）不考虑侧收缩影响，求通过溢流堰单宽设计流量q ；
（2）判断通过设计流量时，堰下游水流衔接形式，若需要建消能工，则进行挖深式消能池水力计算。

H
ht
p1

解
1. 判断溢流坝下游水流衔接形式
为了判断溢流坝下游水流衔接形式，先计算下游收缩水深hc及其共轭水深 hc” 。可用查图法或迭代法。
解法一：采用查图法计算hc及hc”
（1）计算堰顶水头作用下通过溢流堰单宽流量 当不计侧向收缩影响及行进流速水头时，由实用堰流量公式可得

因下游水位低于堰顶，溢流堰为自由出流。取沉没系数σs= 1.0 。
于是于是

（2）计算临界水深 hk
对于矩形断面有 对于矩形断面有 ，故

，故

（3）计算如下游收缩断面底部水平面为基准总水头E0
H0
p2

ht

由于溢流坝较高，行近流速水头可以忽视不计
（4） 查图计算hc及hc”
由 由 及参变量
及参变量
查矩形断面渠道收缩水深及其共轭水深求解图得
于是收缩水深
于是收缩水深

hc共轭水深hc 共轭水深

题目
某溢流坝共7孔，每孔净宽b = 6 m，闸墩厚度d =1.8 m。溢流坝顶高程为161 m，设计水位为167.15 m，流量系数 m = 0.49，收缩系数ε1= 0.95，挑坎为持续式，坎顶高程为111.0，挑角 = 28°；下游河床高程为102 m，岩基冲刷系数为1.10（Ⅱ类岩），下游水深为7.0 m。试估算挑流射程及冲刷深度并检查冲刷坑与否危及大坝安全。

▽
167.15
161
▽
▽
111
▽
102
▽
109

解
本题一方面拟定在设计水位167.15 m时，溢流坝下泄流量 Q ；然后进行挑流射程 L 及冲刷坑深度 ts 估算，最后进行冲刷坑后坡 i 验算。

L
ts
Q
i

L1
L0
L
ts
ht

1
1
h1

挑流射程 L 为空中射程 L0 与水下射程 L1 之和。若 忽视坎顶水深 h1 ，则空中射程 L0 及水下射程 L1可分别按如下计算式估算：

1.溢流坝下泄流量 Q 计算
因溢流坝较高，行近流速水头可忽视不计，即H0≈H = 167.15 m－161m = 6.15 m；同步下游水位较低，溢流坝为自由泄流，故下泄流量计算式为：

2.冲刷坑深度 ts 估算
为了计算水下射程 L1，先计算冲刷坑深度 ts
冲刷坑深度估算式为：
式中，岩基冲刷系数 ks= 1.10 ，其他各参数计算如下:

3. 射程估算 L
依照已知数据求得
计算流速系数 经验公式较多，这里采用长江流域规划办公室经验公式计算

式中流能比

4. 检查冲刷坑后坡 i

故以为冲刷坑不致于危及大坝安全。

L
ts
ht
i

四、水击复习要点
1、水击现象基本概念
水击现象（Water-hammer Phenomena） ：在有压管道系统中，由于某一管路中部件工作状态突然变化，就会引起管内液体流速急剧变化，同步引起液体压强大幅度波动，这种现象称为水击现象。
直接水击（Rapid Closure） ：当关闭阀门时间不大于或等于一种相长时，最早由阀门处产生向上传播而后又反射回来减压顺行波，在阀门所有关闭时尚未到达阀门断面，在阀门断面处产生也许最大水击压强将不受其影响，这种水击称直接水击。
间接水击（Slow Closure）：当关闭阀门时间不不大于一种相长时，从上游反射回来减压波会某些抵消水击增压，使阀门断面处不致达到最大水击压强，这种水击称为间接水击。
2、有压管道中水击四个阶段
1. 增压逆波阶段 
水击波传播现象：一种增压波以一定速度向水库方向传播现象，
2.： 减压顺波阶段
3.： 减压逆波阶段
4. 增压顺波阶段
3、水击计算
1）水击波传播速度

式中：c0——水中声波传播速度，c0 =1425m/s ；
E0——水弹性模量， E0 =2.04´109 N/m2 ；
E——管壁弹性模量；
D——管径（m）；
d——管道壁厚（m）
2）水击压强计算
直接水击压强最大值计算公式：
间接水击压强计算公式：（用水击联锁方程求解，初估用下式）

式中：Tz——阀门关闭时间；
Tr =2l/c——水击波相长；
v0 ——水击前管中流速。

4、水击危害防止
1.设立空气室，或安装具备安全阀性质水击消除阀；
2.设立调压塔：减小水击压强及缩小水击影响范畴；
3.延长阀门关闭时间；（缓闭止回阀）
4.缩短有压管路长度；（用明渠代替）
5.减小管内流速（如加大管径）。
五、渗流复习要点
概 念
渗流基本定律 渗流基本方程式
1、渗流简化模型（渗流模型假设）
1）渗流简化模型定义忽视土壤颗粒存在，以为水布满整个渗流空间，且满足：
u 对同一过水断面，模型渗流量等于真实渗流量。
u 作用于模型任意面积上渗流压力，应等于真实渗流压力。
u 模型任意体积内所受阻力等于同体积真实渗流所受阻力。
2、渗流基本定律——达西定律

达西定律阐明：在某一物质介质孔隙中，渗流水力坡度与渗流流速一次方成正比，因而亦称渗流线性定律。
达西定律合用范畴：达西定律只合用于层流渗流
六、高速水流复习要点

高速水流定义、特性及水力学问题
泄洪消能 高速水流脉动压强及流体诱发振动 高速掺气水流 泄洪雾化
七、相似原理及模型实验基本复习要点
相似基本概念 相似准则 水力模型实验种类及模型设计
几何相似 指原型和模型几何形状和几何尺寸相似，即原型和模型相应线性长度之比均保持一种定值。
运动相似 原型和模型相应点流速、加速度向量相似.或者说两个流动速度场(或加速度场)是几何相似
动力相似 原型与模型中相应点上作用各同名力矢量互相平行，且其大小具备同一比值。