流体力学讲义 第十章 堰流.docx
17页
第十章堰流堰流是明渠缓流由于流动边界急剧变化而引起的明渠急变流现象本章主要介绍各类堰流的水力 特征、基本公式、应用特点及水力计算方法概 述一、堰和堰流堰：在明渠缓流中设置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，这障壁就称为堰堰流（weir flow）：缓流越过阻水的堰墙溢出流动的局部水流现象称为堰流选择：堰流特定的局部现象是：A.缓流通过障壁；B.缓流溢过障壁； C.急流通过障壁； D.图 10-1急流溢过障壁研究堰流的主要目的：探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系堰流的基本特征量（图10-1）1. 堰顶水头H；2. 堰宽b；3. 上游堰高P、下游堰高P ；14. 堰顶厚度（5 ；5. 上、下水位差Z；6. 堰前行近流速u°二、堰的分类 °1. 根据堰壁厚度d与水头H的关系，如图10-2：图 10-2r矩形堰广薄壁< (thin-wall weir) ( 5/H<0.67) J 三角形堰无沿程水头损失峪 1梯形堰j 实用堰(ogeeweir) ( 0.67<™<2.5) {堰1 ―；■欠跌落，可忽略加 曲线型决用堰〔复合型实用堰宽顶堰(broad-crest weir) (2.5<5/H<10)- 二次跌落，可忽略焰图 10-32. 根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系，图10-4：［伽收筋堰〔队丘)堰L无侧收箱堰(b=B )3. 根据堰与水流方向的交角：'正堰堰顼瞧图 10-4、斜堰4. 按下游水位是否影响堰流性质：f自由式堰貌(不影响)堰L淹没式堰流(影响)5. 按堰口的形状：堰可分为矩形堰、梯形堰、三角堰。
三、堰流及孔流的界限1. 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2. 堰流和孔流的判别式(1) 宽顶堰式闸坝堰流： e/H 30.65 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 30.75 孔流： e/H <0.75式中： e——闸门开启高度;H——堰孔水头判断：从能量角度看，堰流和闸孔出流的过程都是一种势能转化为动能的过程对第一节 堰流的基本公式一、 堰流基本公式推导 （图 10-7） 当| 中大孔口的流量公式（7-6） 成口=：成屈（丑芦-砂） X 「及= L H2 = H，并考虑上游行近流速的影响，令 图10-6氏=丑+管得堰流的基本公式：己=对屉"（I』）式中:m——堰流流量系数，im=二、 堰流公式 图10-7若考虑到侧收缩影响及淹没影响，则堰流公式为:e =『也屉砂或牛皿裁唇丑救（102）（12）(10-3)式中：——淹没系数，<1.0；E——侧收缩系数，£ <1.0 om0 计及行近流速的流量系数第二节薄壁堰薄壁堰（如图10-8）主要用途：用作量水设备薄壁堰口的横断面形状不同，相应的流量系数也不同。
10—8一、矩形薄壁堰1. 基本公式OF砰(10-4)2, 无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰:吗采用巴赞公式计算:= (0.405 +（10-5）呼2)[i + q.55(去沪]J J J J + J-'公式适用范围：b=0.2~2.0m，尸=0.24~0.75m，H=0.05~1.24m，式中 H、P 均以 m 计初步设计时，取吗仙，则：口如4项"F虹 E（10-6）3. 有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰:屿=（口.如5 +也笋-Q.Q3旦j细+ 0.55（茶*）璀尸］““4.矩形薄壁堰的淹没判别条件（图10-9）1）堰下游水位高出堰顶标高，即z
时，侧收缩梯形堰倾斜部分所增加的流量，正好 抵消矩形堰侧收缩影响所减小的流量即有侧收缩的召的梯形 堰作自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩形堰的流量注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流图 10-11问题1：当用矩形薄壁堰来测量流量时，，下，水流最稳定，测量精度最高A. 有侧收缩 自由出流； B.有侧收缩 淹没出流；C.无侧收缩 自由出流； D.无侧收缩 淹没出流问题2：为保证薄壁堰为自由出流，应满足：A. 堰上水头尽量小，水舌下游空间应与大气相通；B. 堰上水头不宜过小，水舌下游空间应与大气相通.；C. 堰上水头尽量小，水舌下游空间不应与大气相通；D. 堰上水头不宜过小，水舌下游空间不应与大气相通第三节实用堰实用堰的主要用途：用作蓄水建筑物一一坝，或净水建筑物的溢流设备，如图10-12实用瞰E*)复合型实用堰图 10-12一、曲线型实用堰(图10-13)1. 真空实用堰、非真空实用堰非真空实用堰(non-vacuum weir):若堰面的剖面曲线基本上与堰的水舌下缘外形相符，水流 作用于堰面上的压强仍近似为大气压强，这种堰称为非真空实用堰真空实用堰(vacuum weir):若堰面的剖面曲线低于堰的水舌下缘，溢流水舌脱离堰 面，脱离处的空气被水流带走而形成真空区，这种堰称为真空实用堰。
选择：当曲线型实用堰的实际作用水头大于设计水头时，则过堰流量会：A.减小；B.增加；C.不变；D.不定2. 曲线形实用堰的设计要求：堰面不发生负压，流量系数大，堰剖面较小，工程量小，稳定安全堰型：目前工程界广泛采用的是WES剖面堰选择：对于实用堰，对水流特性影响最大的是：A.上游直线；B.堰顶曲线;—C.下游直线；D.反孤段图 10-13二、流量公式(10-11)式中： B——B= nb，为全部闸孔净宽;n 闸孔的数目；b—单个闸孔净宽;8—侧向收缩系数，有式中：或' n—边墩和闸墩形状系数图10-14 边墩值图10-15 中墩柘值三、实用堰的淹没判别实用堰淹没判别与矩形薄壁堰的判别条件相同（即下游水位高过堰顶且发生淹没水跃），其流量公式为:敞(10-13)式中：习一一淹没系数第四节有坎宽顶堰一、自由式无侧收缩宽顶堰主要特点：进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流，水面在堰尾第二次下降，如图10-16选择：自由式宽顶堰的堰顶水深h：A.h
羽一一流速系数，而E ；2.流体为理想流体时，则'=0，即*=1.0，m=0.385m——堰流量系数，甜=做妒»一般地，m值在0.32-0.385之间判断：相同水头的作用下，实用堰的过流能力比宽顶堰大二、侧收缩宽顶堰（b
图 10-19b< B，有侧收缩综上所述，本堰为自由溢流有侧收缩的宽顶堰2）计算流量系数m:堰顶为直角进口，P/H=0.5<3,则由（10—14）得m= 0.32 + 0.01 —3 更 =0.350.46+0.75^（3）计算侧收缩系数 单孔采用式（10-17）得=您6笑计算流量：自由溢流有侧收缩宽顶堰3 =思勿=牛=0.91妙用迭代法求解第一次取H 0G）-H第二次近似，取Q2j = = 2.9x(2.042)3/2 =8.46m3/s第三次近似，取财"+碧=24细q3) = 2.9x(2.045)3/2 = 8.48m 3/s气|%螺群祢本题计算误差限值定为1%,则过堰流量为Q=Q⑶=8.48*（5）校核堰上游流动状态F =,急 、=土半 £ = 0 174 < 1 姒日+p) 械郊上游来流为缓流，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，是一种基本的方法，但计算繁复，可编程用计算机求解堰流的计算用表堰流分类判别标准计算问题及计算步骤应注意的问题薄壁堰矩形堰1. 计算问题Q = 或阪或已知该式中的五个变星，求 另外一个变量力或 m）a2. 计算步骤1）判别堰坊的类别，确定 所使用的堰流方程；9）判别俺没出流及自由出 流，由经验公■式或查图 表确定淹没系数大小；3） 判别有无侧收缩，由经 验公式或查图表确定他1］ 收缩系数；4） 确定其它已知量，然后 由堰流公式求解。
行进流速和侧1收缩的影响 一般包含在流量系数四）中， 水头为堰前水头Ho三角堰该堰通常用于实验室作小 流童（100 1/s）重测设备=■梯形堰西波利地梯形堰自由出流 时的计算同无例］收缩的矩形 堰自由出流时的计算°实用堰0j67上游面为垂直的W理堰， 当P>1.33H 度=用〔式中用 为W理堰的设计水头）时， m=md = 0.502当脖■用时，m>md。
