流体力学第七章堰流.ppt

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 P 2 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 1m3 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 5m B 1 2m 0 1m P 0 75m 0 07m H 0 26m 且H B 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 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 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 Hd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Hd 两种极端情况 1 Hd Hmax可保证堰面不出现负压 但HHd 堰面产生较大负压 严重时危及坝安全 工程中经常采用 P1 Hd 1 33时 Hd 0 75 0 95 HmaxP1 Hd 1 33时 Hd 0 65 0 75 Hmax 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 P1 Hd H0 Hd 堰上游面坡度 堰上游面垂直的WES剖面 高堰 P1 Hd 1 33m f H0 Hd 不计行近流速水头设计流量系数md 0 502 H0 Hd 1 m md 0 502H0 Hd 1 m mdH0 Hd 1 m md 低堰 P1 Hd 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 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hs H0 P2 H0有关 hs H0 hs从堰顶算起的下游水深 hs越大 下游水位的顶托作用越大 对过流能力影响越大 P2 H0 P2下游堰高 当下游河床较高 P2 H0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hs H0 0 15且P2 H0 时 自由出流 当hs H0 0 15或P2 H0 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P1 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P1 H 3b B 0 2 取b B 0 2P1 H 3 取P1 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 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 hs 0 75 0 85 H0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hs H0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 3hk 3 小桥孔径的水力计算 h1 桥下水流断面深度 流速系数 H0 堰前水流断面总水头 侧身收缩系数 淹没出流 h 1 3hk h 下游水深 流速系数 H0 堰前水流断面总水头 侧身收缩系数