流体力学第七章堰流

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,堰 流,第,7,章,7-1,堰流的定义及类型,水流受到堰体的阻挡，或者受两侧墙体的约束影响，在堰体上游产生壅水，水流经堰体下泄，这一局部水流现象称为,堰流,。,堰流的能量损失主要是局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计。,堰流的类型,薄壁堰,/,H,0.67,实用堰,0.67,/,H,2.5,宽顶堰,2.5,/,H,10,7-2,堰流的水力计算,对堰前断面及堰顶断面列能量方程式：,一、薄壁堰的水力计算,1,、矩形薄壁堰,（行近流速水头计入流量系数）,适用范围：,H,0.025m,，,H/P2,，,P,0.3m,Rehbock,公式：,适用范围：,H=0.05,1.24m,，,b=,0.2,2m,，,P=0.25,1.13m,Bazin,公式：,2,、三角形薄壁堰,在,H,0.05m,，,Q,0.1m,3,/s,时，宜采用三角形薄壁堰作为量水堰。,适用范围：,=90,H=0.05,0.25m,Thompson,公式,：,适用范围：,=90,H=0.25,0.55m,金格公式,：,适用范围：,0.5mB1.2m,，,0.1mP0.75m,，,0.07mH0.26m,，且,HB/3,沼知,-,黑川,-,渊泽公式,：,二、实用堰的水力计算,实用堰主要用作蓄水又能泄水的挡水建筑物,坝，其剖面可设计成曲线或折线两类。,真空堰：,堰顶曲线,低于,无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线，水舌脱离堰面。流速大，流量也大，但如果真空值过大，会使堰面产生空蚀破坏。,非真空堰：,堰顶曲线,接近或稍高于,无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线。堰顶曲线高出无侧收缩矩形薄壁堰水舌下缘曲线越多，流速越小，对溢流越不利。,1.,曲线型实用堰的剖面形状,E,H,d,P,1,P,2,A,B,C,D,O,m,c,上游直线段：,AB,堰顶曲线段：,BC,下游直线段：,CD,，坡度,m,c,=cot,下游河底连接反弧段：,DE,上游直线,AB,段：垂直，或倾斜,取决于溢流坝体的强度和稳定要求。,反弧段,DE,：使直线,CD,与下游河底平滑连接，避免水流冲刷河床。,堰顶曲线,BC,对堰流影响最大，是设计曲线型实用堰剖面形状的关键。理想的曲线型实用堰剖面形状与薄壁堰水舌下缘形状吻合，不产生真空，过流能力最大。但实际中不可能完全吻合。原因：水位波动，水舌不稳定（紊动影响）。,实际采用的剖面形状是按薄壁堰下游水舌下缘曲线稍加修改而成。,WES,剖面,该剖面用曲线方程表示，便于控制，堰剖面较瘦可节省工程量，堰面压强较理想，负压不大，对安全有利。,y,R,1,R,2,R,3,x,x,y,y,/,H,d,=k(,x,/,H,d,),n,0.276,H,d,0.175,H,d,O,0.282,H,d,式中，,k,，,n,取决于堰上游面,AB,的斜率。当上游面为垂直时,k=0.5,，,n=1.85,。,H,d,为不包括行近流速水头的设计水头,堰剖面曲线的坐标值取决于设计水头,H,d,。,两种极端情况,:,（,1,）,H,d,=H,max,可保证堰面不出现负压，但,HH,d,，堰面产生较大负压，严重时危及坝安全。,工程中经常采用,:,P,1,/H,d,1.33,时，,H,d,=(0.75,0.95),H,max,P,1,/H,d,1.33,时，,H,d,=(0.65,0.75),H,max,2.,曲线型实用堰的流量系数,对于不同堰型，流量系数不同。水力设计时，可参考有关文献。对于重要工程需要通过模型试验确定。,m,=,m,(,P,1,/,H,d,，,H,0,/,H,d,，堰上游面坡度,),堰上游面垂直的,WES,剖面：,高堰,：,P,1,/H,d,1.33,m=f(H,0,/H,d,),不计行近流速水头,设计流量系数,m,d,=0.502,H,0,/H,d,=1,，,m=m,d,=0.502,H,0,/H,d,1,，,m,m,d,H,0,/H,d,1,，,m,m,d,低堰,:P,1,/H,d,1.33,，行近流速加大，设计流量系数。,侧收缩系数用于考虑边墩及闸墩对过水能力影响。,溢流坝都有边墩，多孔溢流坝还有闸墩。边墩和闸墩将使水流发生平面收缩，增大了局部水头损失，降低过流能力。,3.,侧收缩系数,实际工程中，实用堰由闸墩和边墩分隔成数个等宽堰孔。,d,b,b,b,边墩,边墩,闸墩,闸墩,侧收缩系数,与闸墩和边墩头部形状、溢流孔数、堰上水头、溢流宽度有关。,堰下游可为,自由出流,：过流能力不受下游水位影响,淹没出流,：过水能力降低,当下游水位高过堰顶至某一范围时,堰顶下游水位高于堰顶，堰下游为淹没水跃，过堰水流受下游水位顶托。,4.,下游水位及下游河床高程对过流能力的影响,有侧收缩实用堰,淹没出流,的流量计算,s,：淹没系数，表示淹没出流对过流能力的影响，与,h,s,/H,0,、,P,2,/H,0,有关。,h,s,/,H,0,（,h,s,从堰顶算起的下游水深）,h,s,越大，下游水位的顶托作用越大，对过流能力影响越大。,P,2,/,H,0,（,P,2,下游堰高）,当下游河床较高，,P,2,/,H,0,较小时，即使下游水位低于堰顶，过堰水流也会受下游河床影响，产生类似的淹没效果，降低,过流能力。,当,h,s,/,H,0,0.15,且,P,2,/,H,0,时，自由出流,；,当,h,s,/,H,0,0.15,或,P,2,/,H,0,2,时，淹没出流,。,三、宽顶堰的水力计算,2.5,/H,10,时，进口处形成水面跌落，堰顶范围内产生一段近似平行于堰顶的渐变流动，称宽顶堰流。,有坎宽顶堰流,底坎引起水流在,垂直方向收缩。,无坎宽顶,侧向收缩，,堰流,由于进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水流进入涵洞或隧洞进口流，施工围堰束窄的河床，经过桥墩之间的水流。,（,1,）有坎宽顶堰流的水力计算,有坎宽顶堰出流会产生垂直、侧向收缩，还受下游水位影响。,有坎宽顶堰流水力计算的基本公式为,1,）流量系数,流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度,P,1,/H,。,堰顶入口为直角的宽顶堰,堰顶入口为圆弧形的宽顶堰,2,）侧收缩系数,影响侧收缩的主要因素有闸墩和边墩头部形状、闸墩数目、闸墩在堰上相对位置、堰上水头等。,适用条件：,b/B,0.2,和,P,1,/H,3,b/B,0.2,，取,b/B,0.2,P,1,/H,3,，取,P,1,/H,3,单孔宽顶堰：用上述公式计算即可,多孔宽顶堰：应采取边孔和中孔的加权平均值。,其中，为中孔闸墩收缩系数，,B=b+d,；,为边墩收缩系数,B=b+2,，,为边墩边缘与堰上游同侧水边线间的距离。,d,b,b,b,边墩,边墩,闸墩,闸墩,：,B=b+d,：,B=b+2,3,）宽顶堰的淹没影响,堰顶水头及进口形式一定，当下游水位逐渐升高，,h,s,(0.75,0.85)H,0,时，宽顶堰形成淹没出流，过堰水流受到下游水的阻碍，流量减小。,淹没系数,s,随,h,s,/H,0,增大而减小。,（,2,）无坎宽顶堰流的水力计算,无坎宽顶堰流水力计算的基本公式为,注,：为包含侧收缩影响的流量系数,流量系数,单孔堰：直接查表,多孔堰：取中孔与边孔流量系数的加权平均值。,自由出流（,h,1.3h,k,）：,（,3,）小桥孔径的水力计算,h,1,桥下水流断面深度；,流速系数；,H,0,堰前水流断面总水头；,侧身收缩系数。,淹没出流（,h,1.3h,k,）：,h,下游水深；,流速系数；,H,0,堰前水流断面总水头；,侧身收缩系数。,