工程流體力學(xué)第7章堰流和閘孔出流PPT_詳細

1、第7章 堰流和閘孔出流,學(xué)習(xí)重點 7-1 概述 7-2 薄壁堰 7-3 實用堰 7-4 寬頂堰 7-5 小橋橋孔過流的水力計算 7-6 無壓涵洞的水力計算 7-7 閘孔出流 7-8 泄水建筑物下游的消能與銜接,第7章 堰流和閘孔出流,學(xué)習(xí)重點： 1.堰流及閘孔出流的概念，堰的分類。 2.堰流過流能力的基本公式。 3.寬頂堰流的水力計算,7-1 概述,堰流 明渠水流受障礙物或建筑物的影響，上游水位雍高，然后水面降落，這種水流從障礙物上溢流至下游的水流現(xiàn)象稱為堰流。 上述建筑物或障礙物稱為堰,堰流：頂部閘門完全開啟，閘門下緣脫離水面，閘門對水流不起控制作用，水流從建筑物頂部自由下泄,閘孔出流：頂部

2、閘門部分開啟，水流受閘門控制而從建筑物頂部與閘門下緣間的孔口流出,一、堰流及閘孔出流的概念,1、堰流和閘孔出流的區(qū)別：堰流的水面線是光滑的降落曲線；閘孔出流的上下游水面是不連續(xù)的。由于邊界條件的這種差異，它們的水流特征及過水能力也不相同。 2、堰流和閘孔出流的相同點：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一種水流運動，都是從勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。都屬于明渠急變流，主要是局部水頭損失。 3、堰流和閘孔出流的轉(zhuǎn)化： 閘底坎為平頂堰時： 閘孔出流 堰流 閘底坎為曲線型堰時 閘孔出流 堰流,二、堰流及閘孔出流的特征,三、堰流的基本特征量,堰的幾何要素： b：堰寬 B：渠寬 ：堰頂厚度 P1：上游

3、堰高 P2：下游堰高 水流的幾何要素： H：堰上水頭 v0：行近流速 ：堰上總水頭 h：下游水深,一）按與H的相對大小分類 薄壁堰： 實用堰： 寬頂堰,四、堰流的分類,二）按堰下游水位h對堰的影響分類 自由堰：下游水位較低，不影響堰的出流條件。 淹沒堰：下游水位較高或下游堰高較小，堰頂出流受到頂托作用，影響了堰的過流能力，使流量減小。 （三）按B和b的變化分類 有側(cè)收縮堰：Bb。 無側(cè)收縮堰：B=b,四、堰流的分類,四）其他分類 按堰孔形狀可將堰分為矩形堰、三角形堰、梯形堰、曲線形堰等,列堰前斷面與堰頂斷面的能量方程,hc0=kH0,堰流流量公式,五、堰流過流能力的基本公式,令,m為流量系數(shù)，

4、與堰頂水頭和堰的邊界條件有關(guān),Q mb （2g）1/2H03/2,一、矩形薄壁堰流 1、定義：堰口形狀為矩形的薄壁堰。 2、薄壁堰用于量測設(shè)備時的要求： 矩形薄壁堰無側(cè)收縮，自由出流 上游渠寬與堰寬相同 下游水位低于堰頂 堰上水頭H不宜過小，一般H2.5cm 水舌下面的空間應(yīng)與大氣相通，所以要求下游水位不能太高,7-2薄壁堰,3、計算公式,m0包含行近流速影響在內(nèi)的流量系數(shù),一、矩形薄壁堰流,1、定義：堰口形狀為三角形的薄壁堰。 2、應(yīng)用 當(dāng)測量的流量較小一般用三角形薄壁堰。 3、計算公式,二、三角形薄壁堰流,H25cm H25cm,當(dāng)Q較大而又不能用無側(cè)收縮矩形堰時，常采用梯形堰,三、梯形薄

5、壁堰流,令 ，得,實驗研究表明，當(dāng)時，流量系數(shù)mt不隨H及b變化，且約為0.42,7-3 實用堰,一、剖面形狀 折線形 曲線形 二、曲線形實用堰 （一）曲線型實用堰的剖面形狀 合理的剖面形狀應(yīng)當(dāng)具有下列優(yōu)點： 過水能力大 堰面不出現(xiàn)過大的負壓 經(jīng)濟、穩(wěn)定,一）曲線型實用堰的剖面形狀,組成： 1.上游堰面AB，可垂直或傾斜： 2.堰頂溢流段BC： 3.下游堰面直線段CD: 4.堰面與下游河床相切的反弧段DE,堰頂曲線BC對水流特性的影響最大，是設(shè)計曲線實用堰剖面形狀的關(guān)鍵。國內(nèi)外設(shè)計堰剖面形狀有許多方法，主要區(qū)別在于曲線段BC如何確定。 實際采用的剖面形狀都是按薄壁堰水舌下緣曲線稍加修改而成,一

6、）曲線型實用堰的剖面形狀,實驗研究表明，曲線型適用堰的流量系數(shù)主要決定于上游堰高與設(shè)計水頭之比P1/Hd、堰頂全水頭與設(shè)計水頭之比0/Hd 以及上游面的坡度,二）曲線型實用堰的流量系數(shù),側(cè)收縮系數(shù)就是用來考慮邊墩及閘墩對過水能力的影響?？捎上旅娼?jīng)驗公式計算： 式中： n為堰孔數(shù)； H0為堰頂全水頭； 為邊墩形狀系數(shù)； 為閘墩形態(tài)系數(shù),三）側(cè)收縮系數(shù),實用堰的淹沒條件也是下游水面高出堰頂和堰下形成淹沒式水躍。淹沒系數(shù)反映下游水位及護坦高程對過水能力的影響，當(dāng)實用堰形成淹沒出流時，其淹沒系數(shù)s與堰的相對淹沒深度hs/H有關(guān)（其中hs為堰的下游水位高出堰頂?shù)母叨?四）曲線型實用堰的淹沒系數(shù),7-4

7、寬頂堰,一.無側(cè)收縮自由式寬頂堰 工程中，堰口形狀一般為矩形 直角進口： 當(dāng)0P/H3 當(dāng)P/H3, m=0.32 圓角進口(r/H0.2 ) 當(dāng)0P/H3 當(dāng)P/H3， m= 0.36,二、無側(cè)收縮淹沒式寬頂堰,水流特點 淹沒標(biāo)準 hs0.8H0 計算公式,三、側(cè)收縮寬頂堰,自由式側(cè)收縮寬頂堰的流量公式為 淹沒式側(cè)收縮寬頂堰,7-5 小橋橋孔過流的水力計算,一）自由出流 若h1.3hc，下游水位不影響橋孔過流，稱為橋孔自由出流,一、小橋橋孔過流的水力特征,二）淹沒出流 若h 1.3hc，下游水位影響橋孔過流，此時為橋孔淹沒出流,二、小橋橋孔過流的水力計算,1.計算臨界水深 2.計算小橋孔徑

8、自由出流，橋下河槽水深 淹沒出流，橋下河槽水深hc0=h， 3.按采用的標(biāo)準孔徑驗算橋孔過流情況 按采用的標(biāo)準孔徑B，重新計算hc，判別橋孔出流形式并計算橋下河槽的流速v。v應(yīng)小于vmax 自由出流 淹沒出流,二、小橋橋孔過流的水力計算,4.計算橋梁雍水 橋梁壅水水深要控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。 自由出流 淹沒出流 橋前壅水水深,7-6無壓涵洞的水力計算,一、無壓涵洞的分類 按涵洞進水口建筑形式不同與涵前水頭的高低，水流通過涵洞時可分為無壓力流、半壓力流和壓力流三種狀態(tài)，相應(yīng)地將涵洞分為 無壓涵洞、半壓力涵洞與全壓力涵洞,二、無壓涵洞的水力條件,設(shè)涵前水深為H，下游水深為h, 涵洞洞身凈高為hT

9、 ，實驗得知，要保證為無壓涵洞，需滿足以下水力條件： 下游水深小于涵洞凈高，即hhT； 涵洞的進水口建筑為普通型（端墻式、八字式、不抬高式），涵前水深 （為洞身凈高）；進水口建筑為流線形（喇叭形、抬高式），涵前水深,三、無壓涵洞的過流能力計算,一）水力現(xiàn)象的分析 無壓涵洞底坡一般為正坡（i0）。 平坡涵洞使用中易在涵洞內(nèi)積水，影響路基穩(wěn)定性，工程中一般盡量避免采用。 對于正坡無壓涵洞，根據(jù)底坡大小和長度不同，分以下三種情況對水力現(xiàn)象進行分析。 （1）緩坡無壓涵洞（iic） 當(dāng)涵洞坡度過小時，易使收縮斷面淹沒，為了避免這種情況，工程上通常將涵洞底坡增大到等于或略大于臨界坡來解決，坡度過小的緩坡涵洞盡量少采用,二）水力計算,短涵的過流能力可按寬頂堰計算 長涵的過流能力按明渠水流計算,7-7 閘孔出流,一、底坎為寬頂堰型的閘孔出流 1.底坎為寬頂堰型閘孔自由出流的水力計算 2.底坎為寬頂堰型閘孔淹沒出流的水力計算,二、底坎為曲線型實用堰的閘孔出流,一、消能類型 （一）面流式消能 當(dāng)下游水深較大而且比較穩(wěn)定時，可采取一定的工程措施，將下泄的高速水流導(dǎo)向下游水流的上層，主流與河床之間由巨大的底部旋滾隔開，可避免高速主流對河床的沖刷。余能主要通過水舌擴散，流速分布調(diào)整及底部旋滾與主流的相互作用而消除,7-8 泄水建筑物下游的消能與銜接,二）挑流式消能 利用下泄水流所挾帶的巨大動