堰流及闸孔出流.pptx
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1、1 2.2.堰流和闸孔出流的不同之处堰流和闸孔出流的不同之处 2 3.3.堰流和闸孔出流的共同点堰流和闸孔出流的共同点(1)从力的角度,堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位,在重力作用下形成的水流运动。(2)从能量的观点来看,出流的过程都是一种势能转化为动能的过程。(3)这两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲,离心惯性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一定影响。(4)都属于明渠急变流,其出流过程的能量损失主要是局部损失。3 4.堰流和闸孔出流的转化堰流和闸孔出流的转化 闸底坎平顶堰时 为闸孔出流;为堰流;闸底坎为曲线型堰流时 为闸孔出流;为堰流;式中:e为闸
2、孔开度;H为从堰顶算起的闸前水深为从堰顶算起的闸前水深。48-1 堰流的类型及计算公式堰流的类型及计算公式 一、堰流的类型一、堰流的类型水利工程中常根据不同的建筑材料和使用要求作成不同的堰。堰坎外形及厚度不同其能量损失及过水能力也会不同。56 工程上通常按照堰坎厚度与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作:1薄壁堰流:即 。7 工程上通常按照堰坎厚度与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作:2实用堰:即 。8 3宽顶堰流:即 。910 二、堰流的基本公式二、堰流的基本公式11 二、堰流的基本公式二、堰流的基本公式12 二、堰流的基本公式二、堰流的基本公式13 二、堰流的基本公式二、堰流
3、的基本公式148-2 薄壁堰流的水力计算薄壁堰流的水力计算 薄壁堰流由于具有稳定的水头和流量关系,因此,常作为水力模型试验或外测量中一种有效的量水工具。有些临时性的挡水建筑,如叠梁闸门(见图8-4)也可近似作薄壁堰流计算。15工程上广泛应用的曲线型实用堰,其外形一般按照矩形薄壁堰流水舌下缘曲线设计。所以,薄壁堰流的研究是具有实际意义的。常用的薄壁堰,堰坎顶部的过水断面常作成矩形或三角形,分别称为矩形薄矩形薄壁堰或三角形薄壁堰壁堰或三角形薄壁堰。16一一、矩形薄壁堰流、矩形薄壁堰流 实验证明:当矩形薄壁 堰流为无侧收缩,自由出流 时,水流最为稳定,测量精度也较高。所以用来量水的矩形薄壁堰应使上游
4、渠宽与堰宽相同;下游水位低于堰顶。此外为了保证堰为自由出流,还应满足:1.堰上水头不宜过小(一般应使H2.5厘米),否则溢流水舌受表面张力作用,使出流很不稳定。2.水舌下面的空间与大气相通。否则由于溢流水舌把空气带走,压强降低,水舌下面形成局部真空。这种出流也是不稳定的。17图8-5是实验室中测得的无测收缩,非淹没矩形薄壁堰自由出流的水舌形状。薄壁堰分类的根据18无侧收缩,非淹没矩形薄壁堰的流量按(8-1)式计算,即 为了便于根据直接测出的水头来计算流量,可改写(8-1)式,把行近流速的影响包括在流量系数中去:19令 则得 (8-2)式中,包括行近流速影响的流量系数m0可按下列经验公式计算 (
5、8-3)式中P1为上游堰高,H及P1 均以米计。上式用于H0.025米,2及P10.3米条件下。2021二 直角三角形薄壁堰流 当所需测量的流量较小(例如Q0.1米3/秒)时,若应用矩形薄壁堰流则水头过小,误差增大。一般可改用直角三角形薄壁堰(图8-6),22二 直角三角形薄壁堰流其计算公式为 Q=C0 H5/2 (8-4)式中,C0为直角三角形薄壁堰的流量系数,可按下式计算 (8-5)23其中,Q为流量,以米3/秒(m3/s)H为堰顶水头;P1为上游堰高;B为堰上游引渠宽均以米(m)计。在下述范围内,上式的误差1.4%:0.5mB1.2m 0.1mP10.75m 0.07mH0.26m HB
6、/3 过去,有采用C0=1.4248-3 实用堰流的水力计算实用堰流的水力计算 作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。258-3 实用堰流的水力计算实用堰流的水力计算 作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。低溢流堰常用石料砌筑成折线形,较高的溢流坝为了增大过流能力,一般作成曲线形,即所谓的折线型实用堰和曲线型实用堰。268-3 实用堰流的水力计算实用堰流的水力计算 278-3 实用堰流的水力计算实用堰流的水力计算 28 一、曲线型实用堰的剖面形状一、曲线型实用堰的剖面形状 曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有下列几个优点:(1)过水能力大 (2)堰面不出现过 大的负压
7、 (3)经济、稳定29 一、曲线型实用堰的剖面形状一、曲线型实用堰的剖面形状3031(a)(b)(c)堰顶曲线BC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方法,主要区别在于曲线段BC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加修改而成。32(a)(b)(c)33(a)(b)(c)34 薄壁堰自由出流时,水舌下缘曲线的特性 如图所示矩形薄壁堰自由出流,设堰顶B点处水流质点流速u与水平方向相交成角,则x、y方向大流速分量等于 ,假定ux保持常数,则在水舌下缘最高点时有 。35 薄壁堰自由出流时,水舌下缘曲线的特性经时刻t后,液体质点的坐标值为:消
8、去t后,两端用Hd整理后得式中:系数 ;指数 n=2。36 我国采用的剖面有:1克里格奥菲采洛夫(过去常用)(克奥剖面)2渥奇 3美国水道试验站WES型(现在常用)WES剖面如图37WES剖面剖面38设计水头的选取设计水头的选取3940 二、曲线型实用堰的流量系数二、曲线型实用堰的流量系数 实验研究表明,曲线型实用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之比P1/Hd、堰顶全水头与设计水头之比H0/Hd 以及上游面的坡度。41二、曲线型实用堰的流量系数二、曲线型实用堰的流量系数 4243 二、曲线型实用堰的流量系数二、曲线型实用堰的流量系数 44 三、侧收缩系数三、侧收缩系数 侧收缩系数就是用
9、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:式中:n为堰孔数;H0为堰顶全水头;Ka为边墩形状系数;KP为闸墩形状系数。45 三、侧收缩系数三、侧收缩系数 46 三、侧收缩系数三、侧收缩系数 47 三、侧收缩系数三、侧收缩系数 48 四、曲线型实用堰的淹没四、曲线型实用堰的淹没 试验研究表明:(1)当下游水位高过堰顶至某一范围时堰下游形成淹没水跃,过堰水流受到下游水位的顶托,降低了过水能力 即为淹没出流;(2)当下游护坦高程较高,过堰水流受下游护坦的影响,也会产生类似淹没的效果而使流量系数降低。实际计算中用淹没系数 来综合反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响。决定于 hs/H0和
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