流體力學講義第十章堰流

1、第十章堰流堰流是明渠緩流由于流動邊界急劇變化而引起的明渠急變流現(xiàn)象。本章主要介紹各類堰流的水力特 征、基本公式、應用特點及水力計算方法。、堰和堰流堰：在明渠緩流中設置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，這障壁就稱為堰。堰流(weir flow )：緩流越過阻水的堰墻溢岀流動的局部水流現(xiàn)象稱為堰流。選擇：堰流特定的局部現(xiàn)象是：A.緩流通過障壁；B.緩流溢過障壁；C.急流通過障壁；D.急流溢 過障壁。研究堰流的主要目的:堰流的基本特征量（圖 10-1 ）探討流經堰的流量 Q及與堰流有關的特征量之間的關系。1. 堰頂水頭2.堰寬b ；3.上游堰高下游堰高P1；圖 10-1- 4.堰頂厚度5.上

2、、下水位差6.堰前行近流速U0。、堰的分類1.根據堰壁厚度 d與水頭H的關系，如圖10-2 :.h-.I-卜愛I玄就圖 10-2三角形堰 梯形悝r折線型實用堰 曲建型冥用堰I復合型實用堰萍壁堰（Wimwall weir）（陽吒0上7）無沿程水頭揭失耳I 實用堰（口藝Eweir） C O.C7&Tad-crest weir) 12.5/H0.65孔流：e/H 0.75孔流：e/H 0.75式中：e閘門開啟高度;H堰孔水頭。判斷：從能量角度看，堰流和閘孔岀流的過程都是一種勢能轉化為動能的過程。對第一節(jié)堰流的基本公式、堰流基本公式推導(圖10-7 )由大孔口的流量公式(7-6)及盡 7 比 H，并考

3、慮上游行近流速的影響，令得堰流的基本公式:(10-1)式中:m堰流流量系數(shù),、堰流公式若考慮到側收縮影響及淹沒影響，則堰流公式為:(10-3 )(10-2 )式中：疔淹沒系數(shù)，IE 1.0 ；側收縮系數(shù)，E hc 充分條件(10-8)淹沒溢流時，不僅堰的過水能力降低，而且下游水面波動較大，溢流不穩(wěn)定。所以用于測量流量用的薄壁堰，不宜在淹沒條件下工作。、三角形堰（圖10-10）堰通常用于實驗室作小流量測量。當堰為直角三角堰時:(10-9)圖 10-10適用條件：F K為骯 AM三、梯形薄壁堰當時的自由岀流時的梯形薄壁堰公式為:說明：當(10-10)冷=1羋時，側收縮梯形堰傾斜部分所增加的流量，正

4、好抵消矩形堰側收縮影響所減小的流量。即有側收縮的屮的梯形堰作自由岀流時的流量等于沒有側收縮的自由岀流矩形堰的流量。注：以上三類薄壁堰的流量計算公式均是指自由岀流。圖 10-11A.有側收縮自由岀流;B.有側收縮淹沒岀流;C.無側收縮 自由岀流;D.無側收縮淹沒岀流。問題2 :為保證薄壁堰為自由岀流，應滿足:A. 堰上水頭盡量小，水舌下游空間應與大氣相通;B. 堰上水頭不宜過小，水舌下游空間應與大氣相通;C. 堰上水頭盡量小，水舌下游空間不應與大氣相通;D. 堰上水頭不宜過小，水舌下游空間不應與大氣相通。10-12 。第三節(jié)實用堰實用堰的主要用途：用作蓄水建筑物一一壩，或凈水建筑物的溢流設備，如

5、圖實用堆（咖血HQ 1蠶豔髓復含魁實用堰4圖 10-12.、曲線型實用堰 （圖10-13 ）1.真空實用堰、非真空實用堰非真空實用堰（non-vacuum weir）:若堰面的剖面曲線基本上與堰的水舌下緣外形相符，水流作 用于堰面上的壓強仍近似為大氣壓強，這種堰稱為非真空實用堰。真空實用堰（vacuum weir ）:若堰面的剖面曲線低于堰的水舌下緣，溢流水舌脫離堰面, 脫離處的空氣被水流帶走而形成真空區(qū)，這種堰稱為真空實用堰。A.減??；B.增加； C.選擇：當曲線型實用堰的實際作用水頭大于設計水頭時，則過堰流量會: 不變； D.不定。2.曲線形實用堰的設計穩(wěn)定安全。要求：堰面不發(fā)生負壓，流量

6、系數(shù)大，堰剖面較小，工程量小,堰型：目前工程界廣泛采用的是WES剖面堰。選擇：對于實用堰，對水流特性影響最大的是:A.上游直線;B.堰頂曲線；C.下游直線;D.反弧段。圖 10-13二、流量公式e=站稱屁%（10-11）式中:B B=nb，為全部閘孔凈寬;n 閘孔的數(shù)目;b 單個閘孔凈寬;側向收縮系數(shù)，有(10-12)邊墩和閘墩形狀系數(shù)。*0,7/0J 7/Z y- ZZ/1.0；圖10-14 邊墩三、實用堰的淹沒判別d4 ddddQ.80.4D.454*025圖 10-15中墩實用堰淹沒判別與矩形薄壁堰的判別條件 相同（即下游水位高過堰頂且發(fā)生淹沒水躍），其流量公式為:(10-13)式中:淹

7、沒系數(shù)。第四節(jié)有坎寬頂堰、自由式無側收縮寬頂堰主要特點：進口不遠處形成一收縮水深，此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深，以后形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，水面在堰尾第二次下降，如圖10-16 。D.不定。（其中he為臨界水深）2.流量系數(shù)的計算選擇:淹沒岀流由出流1.自由式無側收縮寬頂堰的流量公式取1-1，2-2斷面寫能量方程（4-15）:時:直角邊緣進口:m=0.32，圓角進口：m=0.36cry口-1.0時:直角邊緣進口:(10-14)令頁，則得寬頂堰的流量公式:直角邊緣修圓:=他=&切J2g（鳳-劃=如看/1 -七5孑龍吃=訛嚴(10-13)(10-15)式中:堰進口處的局部水頭損失;說明

8、：1.根據伯朗日最大流量假設，當2孑時，過堰流量為最大，m=0.385甲甲流速系數(shù)，丿歹2.流體為理想流體時，=0，即卩= 1.0，m =0.385m堰流量系數(shù),般地， m 值在0.32-0.385 之間。判斷：相同水頭的作用下，實用堰的過流能力比寬頂堰大。二、側收縮寬頂堰（bvB）(10-16)式中：|側向收縮系數(shù)，由式（10-12）計算。式中:邊墩和閘墩形狀系數(shù)，取值同實用堰?；驅慰讓掜斞哂薪涷灩?=1(10-17)a為墩形系數(shù)，矩形墩a=0.19，圓形墩a=0.10。三、淹沒式寬頂堰 （圖10-17、10-18）77777777777777777777? ；6 J圖 10-17圖 1

9、0-18判別條件：必要條件:hs0.沒出流自由出流充分條件:D7j5 -DgJ OS鳳(10-18)(10-19)流量公式(10-20)寬頂堰淹沒出流時堰頂?shù)牧鲃訝顟B(tài)是緩流。例：某矩形斷面渠道，為引水灌溉修筑寬頂堰（如圖10-19 ）。已知渠道寬 B=3m，堰寬b=2m，坎高P=P 1=1m，堰上水頭 H=2m，堰頂為直角進口,單孔，邊墩為矩形，下游水深h=2m。試求過堰流量。必要條件解：（1 ）判別岀流形式hs= h-P=1m0充分條件 圖 10-19滿足淹沒溢流必要條件，但不滿足充分條件，為自由式溢流。b B，有側收縮。綜上所述，本堰為自由溢流有側收縮的寬頂堰。（2）計算流量系數(shù) m :堰

10、頂為直角進口，P/H=0.53，則由（10 14 ）得0.46+0.75(4 )計算流量：自由溢流有側收縮寬頂堰Q =血帕屁時其中盡=1麥知為用迭代法求解Q，第一次取 H 0(1)Qu =曲叫胚卅富=0菇.9為乂滬= 2.9丈卩201,卩時-=取陰)=警=0勺1 Im/s第二次近似，取2 + -Dry= 3.Q42mQ# =為疑H弧=2沖(2、Q舵嚴=M牴曲s叫廠諾僉二響9如心Cffl/R第三次近似，取是%)本題計算誤差限值定為1%，則過堰流量為Q=Q(3)=8.48m 3/s(5)校核堰上游流動狀態(tài)上游來流為緩流，流經障壁形成堰流，上述計算有效。用迭代法求解寬頂堰流量高次方程,一種基本的方法

11、，但計算繁復，可編程用計算機求解。堰流分類判別標準矩飛堰壁三箱堰梯形堰實劇廻0j67 3賈頂堰2J 0.8H 。三者淹沒岀流的必要條件相同：堰下游水位高岀堰頂標高；但充分條件不同， 薄壁堰、實用堰是: 下游發(fā)生淹沒式水躍銜接。寬頂堰是：下游水位影響到堰上水流由急流變?yōu)榫徚骷囱吡髁髁抗街械牧髁肯禂?shù)m和mO有什么區(qū)別?答案:中的I用沒有計及行近流速中的?？紤]了行近流速的影響第五節(jié)無坎寬頂堰水流流經小橋孔，由于受橋臺、橋墩的側向約束，使過水斷面減小，形成寬頂堰溢流。一般情況下,橋孔下坎高P=P 1=0,故小橋孔的過水是無底坎平底（i=0 ）的寬頂堰溢流。無坎寬頂堰流形式在工程上因此可利用無坎寬頂堰

12、的原理對上述相關有很多，如經過平底水閘、無壓涵洞及廊道進口處的水流等。工程的溢流能力進行計算。23X7、無坎寬頂堰的水力計算1. 流量系數(shù)形式2自由出流圖 10-20在無坎寬頂堰中，流量系數(shù)經驗值包含了側壓縮的影響，即Q -叭唧過(10-21 )b淹沒出流因此由堰流基本公式（10-3 ）可得式中：m為包含側收縮影響的流量系數(shù),可據平面布置形成查水力計算手冊。6為寬頂堰淹沒系數(shù)。2. 流速系數(shù)形式如圖所示，以坎底為基準面，設1-1斷面的總水頭為 H0, 2-2斷面的水深（即坎頂實際水深）為h2,平均流速為U，兩斷面之間的損失為。對1-1與2-2斷面列能量方程（4-15 ）得即:(10-22 )式

13、中p=u旳十才，流速系數(shù)由試驗給岀，可查資料確定，一般段=0.85 E 0.95二、無坎寬頂堰岀流判別標準在無坎寬頂堰中，其判別岀流標準如下:自由岀流:ht1.3 hc(10-24 )式中：ht為下游河槽水深；hc為臨界水深。該判別標準與有坎寬頂堰的淹沒判別式（10-18 ）,基本上是一致的，現(xiàn)說明如下:實驗知e = Tbj鬲沖0.34 ff-1，代入有或 1.3hc=0.8 H0代入有坎寬頂堰的淹沒岀流條件式（10-18 )得21.3處（無坎寬頂堰hs=h t)（注意，這里的hc對應過流寬度為b,而不是必3. 計算橋前的壅水水深H列橋前水深與橋下水流的能量方程:用-& +蘭 +舉-址札+(1

14、 +荃-址th I,I-*匚un * rc2g令卞為流速系數(shù)，由橋臺形狀決定，則橋前壅水水深為:2g 廿 2g2 羽 2g式中：U 0橋前行進流速，當U 0 1.0m/s 時可忽略不計。小橋孔徑的計算步驟1）確定下游河槽天然水深ht;2）確定橋孔下臨界水深hc ;3) 判別小橋橋孔下岀流情況:杠總時，自由岀流，橋下水深為臨界水深he ；&占丄時，淹沒岀流，橋下水深為下游天然河槽水深ht 。4) 確定橋孔孔徑B、長度L;計算橋前的壅水水深例：在某河道上有一鋼筋混凝土橋。該橋有一半圓形中墩d=1.0m，橋下斷面為梯形，m=1.5m。已知側收縮系數(shù)國=0.90，流速系數(shù)貯=0.90。根據河床土質及加

15、固條件，允許流速u=3.0m/s 。當橋孔通過設計流量Q=35m 3/s，下游河槽天然水深 ht=1.15m。試設計橋孔孔徑，橋前雍水水深。解：1.設計橋孔孔徑 ，求橋孔下臨界水深he,取u= us=3.0m/s由-斧器5M _ 方廠 J耳一乓X兀乂 1 5x12,71x0 WS _ 12JI-仇5-7).0 _ 口鈾占30判別橋下水流狀態(tài)：由ht=1.15m; 1.3he= 1.3 X1.05=1.365m貝ht1.3 he，為自由岀流。，取 B =16m2.計算橋前雍水水深如行進流速U忽略不計，則:療力少皿黑和山叫I逍(注：因標準B=16m 時接近設計 B=15.1m，故he用B=15.1m 時的he值1.05m 計算，誤差許可。)本章小結、堰流特點及分類堰流是明渠水流受豎向(或側向)收縮而引起雍高而后跌落(或二次跌落)的局部水流現(xiàn)象，在堰上游積聚的勢能于跌落中轉化為動能，在計算中不考慮沿程水頭損失。根據堰壁厚度d與水