8孔口管嘴ppt課件

1、HYDRAULICS 第8章 孔口（管嘴）出流、堰頂溢流和閘下出流,Chapter 8 目錄,8-1 概述 8-2 孔口出流 8-3 管嘴出流 8-4 堰頂溢流 8-5 閘孔出流,8-1 概述,孔口（管嘴）出流、堰頂溢流和閘孔出流屬于急變流。其水頭損失以局部損失為主，沿程損失往往忽略不計(jì)。這類水流形式在實(shí)際工程中廣泛存在。本章著重討論上述建筑物形體對(duì)過流能力的影響，及其常用的水力計(jì)算方法。,1、孔口出流,液體經(jīng)容器壁上孔口流出的水力現(xiàn)象。 孔口分類： 大孔口 H/d10 小孔口 H/d10 流動(dòng)分類：恒定和非恒定出流 出流分類：自由出流和淹沒出流 收縮分類：完善收縮和不完善收縮,2、管嘴出流,

2、在孔口接一段長l=(34)d的短管，液流經(jīng)過短管并充滿出口斷面流出的水力現(xiàn)象。 根據(jù)實(shí)際需要管嘴可設(shè)計(jì)成： 1）圓柱形：內(nèi)管嘴和外管嘴 2）非圓柱形：擴(kuò)張管嘴和 收縮管嘴。,3、堰頂溢流,水流經(jīng)堰頂下溢的水力現(xiàn)象。水面呈連續(xù)降落曲線。 堰的分類： 薄壁堰 0.67 實(shí)用堰0.67 2.5 寬頂堰 2.5 10,4、閘孔出流,水流從閘底緣與底板形成的孔口流出的水力現(xiàn)象。 閘門分類：平板閘門和 弧形閘門。 第坎分類：曲線形實(shí)用堰和寬頂堰。 出流分類：自由出流和淹沒出流。,8-2 孔口出流,1、薄壁小孔口恒定出流 薄壁：出孔水流與孔壁僅在周線上接 觸，即孔壁厚度對(duì)出孔水股沒有影響。 小孔口：H/d1

3、0 1)小孔口的自由出流 pc=pa=0 薄壁小孔口自由出流的基本公式,薄壁小孔口出流的各項(xiàng)系數(shù),流速系數(shù) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得孔口流速系數(shù) = 0.970.98。 孔口的局部阻力系數(shù) 0 , 孔口的收縮系數(shù) 孔口的流量系數(shù) ，= 。 對(duì)薄壁小孔口= 0.600.62。,2）淹沒出流,當(dāng)出孔水流淹沒在下游水面之下。 孔口淹沒出流的流速和流量 均與孔口的淹沒深度無關(guān)， 也無“大”、“小”孔口的區(qū)別。,3）小孔口的收縮系數(shù)及流量系數(shù),實(shí)驗(yàn)證明，不同形狀小孔口的流量 系數(shù)差別不大，但孔口邊緣情況對(duì) 收縮系數(shù)會(huì)有影響，薄壁孔口的收 縮系數(shù)最小，圓邊孔口收縮系數(shù) 較大，甚至等于1?？卓谠诒诿嫔?的位置，對(duì)收縮系數(shù)有

4、直接影響 ，不完善收縮孔口的流量系數(shù)nc大于完善收縮的流量系數(shù)。,2、孔口非恒定出流,如容器水面隨時(shí)間變化，孔口的流量 也會(huì)隨時(shí)間變化，稱為變水頭出流或 非恒定流。,當(dāng)容器為柱體，=常數(shù)，則有： 當(dāng)H1=H，H2=0，即得容器“泄空”(水面降至孔口處)所需時(shí)間 變水頭出流時(shí)容器“泄空”所需要的時(shí)間，等于在起始水頭H作用下恒定出流流出同體積水所需時(shí)間的二倍。,8-3 管嘴出流,1、圓柱形外管嘴恒定出流,管嘴的流量系數(shù),管嘴阻力系數(shù) n= 0.5 管嘴流速系數(shù) 管嘴流量系數(shù)，因出口無收縮n=n= 0.82 顯然n= 1.32?？梢娫谙嗤瑮l件，管嘴的過流能力是孔口的1.32倍。,2圓柱形外管嘴的真空

5、,孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，這是由于收縮斷面處真空的作用。 對(duì)圓柱形外管嘴： =1， =0.64， =0.82,圓柱形外管嘴的正常工作條件,收縮斷面的真空是有限制的，如長江中下游地區(qū)，當(dāng)真空度達(dá)7米水柱以上時(shí)，由于液體在低于飽和蒸汽壓時(shí)會(huì)發(fā)生汽化 。 圓柱形外管嘴的正常工作條件是： (1)作用水頭H09米； (2)管嘴長度l=(34)d。,3）其他形式管嘴,工程上為了增加孔口的泄水能力或?yàn)榱嗽黾?減少)出口的速度，常采用不同的管咀形式 (1)圓錐形擴(kuò)張管嘴 （=57 ） (2)圓錐形收斂管嘴 （較大的出口流速 ） (3)流線形管嘴 （阻力系數(shù)最小 ）,孔口、管嘴的水力特性

6、,8-4 堰頂溢流,無壓緩流經(jīng)障壁溢流時(shí)， 上游發(fā)生壅水，然后水面降落， 這一局部水流現(xiàn)象稱為堰流。 障壁稱為堰。堰對(duì)水流的作用： 側(cè)向約束； 底部約束。,1、堰流的基本公式,用能量方程式來推求 堰流計(jì)算的基本公式 令 ，流速系數(shù),令 稱為堰流基本公式。 為了方便，可將公式改寫成如下形式 式中 堰流基本公式適用于各種形式的堰流，只是流量系數(shù)不同而已。,2. 矩形薄壁堰流,測(cè)量流量用的矩形薄壁堰，一般都做得和上游進(jìn)水槽一樣寬，這樣，水流通過堰口時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向收縮。 1)具有溢流水舌有穩(wěn)定的外形；(堰頂必須做成向下游傾斜的銳角薄壁 ) 2)穩(wěn)定的流速分布和壓強(qiáng)分布；(堰板下游側(cè)墻內(nèi)埋設(shè)通氣孔，使

7、水舌內(nèi)外緣空氣壓強(qiáng)相等 ) 3)穩(wěn)定的水頭和流量關(guān)系。(堰頂水頭H3cm),(1)矩形薄壁堰無側(cè)向收縮自由溢流的水舌形狀,在距堰壁上游3H處，水面降落0.003H， 在堰頂上，水舌上緣降落了0.15H。 由于水流質(zhì)點(diǎn)沿上游堰壁越過堰頂時(shí)的 慣性，水舌下緣在離堰壁0.27H處升得 最高，高出堰頂0.112H，此處水舌的垂 直厚度為0.668H。 距堰壁0.67H處，水舌下緣與堰頂同高. 這點(diǎn)表明，只要堰壁厚度0.67H， 堰壁就不會(huì)影響水舌的形狀。,只要堰壁厚度0.67H，堰壁就不會(huì)影響水舌的形狀。因此，把0.67H的堰，稱為薄壁堰。矩形薄壁銳緣堰自由溢流水舌幾何形狀的觀測(cè)成果，為后來設(shè)計(jì)曲線形

8、剖面堰提供了依據(jù)。,(2)矩形薄壁堰溢流的計(jì)算,流量公式 流量系數(shù)采用巴贊公式(1898) 適用范圍 ： H1.24m，b2m，P1.13m,有側(cè)向收縮影響的流量系數(shù) 薄壁堰在形成淹沒溢流時(shí)，下游水面波動(dòng)較大，溢流很不穩(wěn)定。所以，一般情況下量水用的薄壁堰不宜在淹沒條件下工作。,3、三角形薄壁堰,在H0.05m，流量小于100l /s時(shí)，宜采用三角形薄壁堰作為量水堰,根據(jù)湯姆遜(P.W.Thomson)的實(shí)驗(yàn)，在H=0.050.25m時(shí)，m0=0.395。因此=90的三角形薄壁堰的流量公式為 金(H. W. King)根據(jù)實(shí)驗(yàn)提出，在H=0.060.55m條件下，流量公式為 兩式中單位，H 用m

9、，Q 用 m3/s。,4. 實(shí)用堰流,實(shí)用堰主要用作蓄水擋水建筑物壩 。其剖面可設(shè)計(jì)成曲線或折線兩類(如圖）。,曲線實(shí)用堰的縱剖面外形輪廓，基本上按矩形薄壁堰自由溢流水舌的下緣形狀構(gòu)制。 曲線形實(shí)用堰又分為非真空堰和真空堰兩大類。 實(shí)用堰的流量公式采用堰流的基本公式進(jìn)行計(jì)算，如自由溢流 淹沒溢流 由于實(shí)用堰堰面對(duì)水舌有影響，所以堰壁的形狀及其尺寸對(duì)流量系數(shù)有影響，其精確值應(yīng)由模型試驗(yàn)確定。在初步估算中，真空堰m0.50，非真空堰m0.45，折線形實(shí)用堰m在0.35至0.42之間。,曲線形實(shí)用堰,曲線形剖面堰輪廓由4段組成：上游堰面AB，可垂直或傾斜；堰頂溢流段BOC，O為堰頂最高處；下游堰面直

10、線段CD，在C點(diǎn)與OC曲線相切；堰面與下游河床相切的反弧段DE。 曲線形剖面堰的各種不斷完善的剖面形式，正是針對(duì)BOC曲線段提出來的。,WES 剖面堰,我國從上世紀(jì)60-70年代開始采用WES 剖面堰。 堰頂水頭: Hd=Hw-0.112Hw=0.888Hw 式中Hw為薄壁堰堰頂水頭。 OB段由三段圓弧組成： R1=0.5Hd, c1=0.175Hd , a1=0.0316Hd R2=0.2Hd, c2=0.276Hd , a2=0.1153Hd R3=0.04Hd , c3=0.2815Hd , a3=0.136Hd OC段用經(jīng)驗(yàn)方程表示：,WES 剖面堰的流量系數(shù),堰頂曲線是依據(jù)Hd決定的

11、，當(dāng)H=Hd , md=0.502; 當(dāng)實(shí)際工作水頭H大于或小于Hd ，流量系數(shù)m也將有所變化。,側(cè)收縮系數(shù),控制水位和流量，堰頂常設(shè)有多孔閘門和閘墩，造成過堰水流的側(cè)向收縮。 可用“有效寬度”Bc代替實(shí)際堰寬B,5. 寬頂堰流,寬頂堰流分自由式和淹沒式兩類。寬頂堰上的水流主要特點(diǎn)：自由式寬頂堰流在進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深h1(即水面第一次降落)，此收縮水深h1小于堰頂斷面的臨界水深hk，形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，最后在出口(堰尾)水面再次下降(水面第二次降落)，,1)自由式無側(cè)收縮寬頂堰,自由式無側(cè)收縮寬頂堰的流量計(jì)算可采用堰流基本公式 流量系數(shù)m與堰的進(jìn)口形式以及堰的相對(duì)高度p/H等

12、有關(guān) 直角進(jìn)口： 當(dāng)0P/H3 當(dāng)P/H3, m=0.32 圓角進(jìn)口(r/H0.2 ) 當(dāng)0P/H3 當(dāng)P/H3， m= 0.36 可證明，寬頂堰的流量系數(shù)最大不超過0.385，因此，m的變化范圍，應(yīng)在0.320.385之間。,2)淹沒式無側(cè)收縮寬頂堰,寬頂堰的淹沒判別 ： 進(jìn)口平順：hs /H00.75; 進(jìn)口不平順： hs /H00.85 淹沒式無側(cè)收縮寬頂堰的流量,3)無坎寬頂堰流,當(dāng)寬頂堰的堰頂高程與上游引水渠渠底高程相同為無坎寬頂堰。 無坎寬頂堰流的流量系數(shù)與進(jìn)口翼 墻形式有關(guān) （見P292-293,表8-4-2表8-4-4)。 被閘墩分隔的多孔無坎寬頂堰流的流量系數(shù),8-5 閘下出流,閘下出流水面線被閘門阻隔中斷 , 上下游水面線不連續(xù) 。 閘孔過流能力，與閘前水頭、閘門開度、閘門型式、底坎形式以及出流是否淹沒等因素有關(guān)。,1、底坎為寬頂堰的閘孔出流,1）收縮斷面及垂直收縮系數(shù) 同小孔口出流一樣，孔后(0.51)e處出現(xiàn)收縮斷面c-c， 收縮斷面水深 自由出流的流量公式,2）閘孔淹沒出流的判別