（农业工程专业论文）矩形薄壁堰贴壁流水力学特性的试验研究.pdf

摘要 一般的矩形薄壁堰，当堰上水头为一定高度时，过堰水流是正常的自由堰流。在实际 应用中发现，当初始流量为小流量，流量平稳增加时，在一定的水头范围内过堰的水流是 附贴堰壁下泄的，即贴壁流。本课题对矩形薄壁堰贴壁流的水力特性进行了大最的试验研 究，通过试验研究发现：( 1 ) 贴壁流时的水面曲线与自由流的水面曲线莘别很大，过堰t f 亓 水流在堰顶的锐缘外侧微微向外凸起，之历紧贴堰肇r 泄。( 2 ) 贴齄水头与流量之间存在 着稳定的关系，经过数学拟台，贴壁流的流量公式为o = o 0 2 2 0 8 5 b h ”。( 3 ) 贴罐流 与自由流相比，堰上水头相同的情况下，贴擘流的流量比自由流的流量人2 0 8 2 2 4 ： 流最相同的情况r ，贴壁流的堰上水头比自由流的堰上水头平均低1 4 1 6 。( 4 ) 贴擘 流的堰上水头增大到一定程度，过堰水流在惯性力的作用下会脱壁形成自由流，其临界贴 肇水头h = 4 9 9 c m5 0 5 c m 。本课题探讨了佛汝德数f r 、雷诺数r e 、韦伯数w e 、欧拉 数e u 与贴壁流之间的内在关系。 关键词：矩形薄壁堰，试验研究，水头，流量，贴壁流 a b s tt a c t t h eg e n e r a lr e c t a n g l es h a r p c r e s t e dw e i r , w h e nt h ew a t e rh e a do fw e i ro v e rc o m e st oa c e r t a i nh e i g h t ，t h ew e i rf l o wi st h ef r e ew e i rf l o w i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i ti sf o u n dt h a tw h e n t h ed i s c h a r g eo fb e g i n n i n gi ss m a l la n di n c r e a s e ds t e a d i l y ，t h ew e i rf l o wl e to u ts t i c k i n gt ot h e w e i rw a l lw i t h i nac e r t a i nr a n g eo fw a t e rh e a d ，t h i si st h ew a l lp r e s s i n gw e i rf l o w t h i ss u b j e c t c a r r yo nal a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e ro ft h ew a l lp r e s s i n g w e i rf l o wo fr e c t a n g l et h i n - w a l lw e i r ，a n dd i s c o v e r st h r o u g ht h et e s ta sf o l l o w s ：( 1 ) t h ew a t e r s u r f a c ec u r v eo fw a l lp r e s s i n gw e i rf l o wd i f f e r ss i g n i f i c a n t l yf r o mt h a to ff r e ef l o w ，a f t e rc r o s s t h ew e i rt h ef l o wi ss l i g h t l yo u t w a r d sa tt h eo u t s i d es h a r p - c r e s t e do ft h ew e i rt o p ，a n dl a t e rl e t o u ts t i c k i n gt ot h ew e i rw a l lc l o s e l y ( 2 ) t h ew a t e rh e a do fw a l lp r e s s i n ga n dt h ed i s c h a r g eh o w as t e a d yr e l a t i o n ，f i n i n gt h r o u g hm a t h e m a t i c s ，t h ed i s c h a r g ef o r m u l ao ft h ew a l lp r e s s i n gw e i r f l o wi s q = 0 0 2 2 0 8 5 b h l5 5 9 ”( 3 ) c o m p a r e dt ot h ef r e ef l o w , i nt h ep r e s e n c eo ft h es a m ew e i r o v e rw a t e rh e a d ，t h ed i s c h a r g eo ft h ew a l lp r e s s i n gw e i rf l o wi sh i g h e rb y2 0 8 2 2 4 t h a n t h a to f t h ef r e ef l o w ；i nt h es i t u a t i o no f t h es a m ed i s c h a r g e ，t h ew e i ro v e rw a t e rh e a do f t h ew a l l p r e s s i n gw e i rf l o wi sl o w e rb y1 4 1 6 o na v e r a g et h a nt h a to ft h ef r e ef l o w ( 4 ) w h e nt h e w e i ro v e rw a t e rh e a do ft h ew a l lp r e s s i n gw e i rf l o wi n c r e a s e st oac e r t a i ne x t e n t ，t h ew e i rf l o w w i l lt a k eo f ft h ew a l ia n df o r mt h ef r e ef l o wu n d e rt h ef u n e t i o no fm a s sf o r c e i t sc r i t i c a lw a l l p r e s s i n gh e a dh tl = 4 9 9 c m 5 0 5 c m t h i ss u b j e c t h a sp r o b e di n t ot h ei n h e r e n tr e l a t i o n b e t w e e nt h ef r o u d en u m b e r s ( f r ) 、r e y n o l d sn u m b e r s ( r e ) 、w e b e rn u m b e r s ( w e ) 、e u l e r n u m b e r s ( e u ) a n dt h ew a l lp r e s s i n gw e i rf l o w k e yw o r d s ：r e c t a n g l es h a r p c r e s t e dw e i r , e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，w a t e rh e a d ，d i s c h a r g e ，w a l l p r e s s i n gw e i rf l o w 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生躲弘儒认、帆耖孵，月r 阳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生繇勃1 ，扒帆晰期闱 导师签名：多叛l 听 时间：。硝年，月纠日 中国农业大学1 二程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 1 1 1 问题的提出 由于矩形薄壁堰具有制造简单、操作方便、有稳定的水头流量关系、量测精度高等 优点，因此，常用于实验室和野外的流量量测，现在薄壁堰在实际1 = 程也逐步得到应用。 实验室中使用的矩形薄壁堰，一般是标准量水堰，即堰具有直立的堰墙( 板) 、矩形螺 1 ：3 、堰宽与水渠( 槽) 同宽，即为无侧收缩堰流。当堰上水头为一定高度时，过堰水流脱 离堰壁，形成正常的自由堰流，如图1 1 所示。 圈1 - 1 矩形薄壁堰自由流图1 - 2 矩形薄壁堰贴壁流 2 0 0 1 年5 月我们给青岛市铁山水库做溢洪道模型试验在量测库水位泄量关系时 ( 用矩形薄壁堰量测放水流量。以此也作为水库的泄水流量) ，发现放水流量由小到人测出 的库水位值与放水流量由大到小测得的库水位值不一致，不一致的点集中在模型放水流量 2 1 l s ( 相对应的堰上水头约为5 9 c m ) 以下，放水流量2 1 l s 以上的点是一致的。放水最 由小到大时，设计标准为2 0 年一遇的库水位值，比放水量由大到小时5 0 年一遇的库水位 值还要大，反复试验结果是一致的。经过反复研究、讨论、观察，发现当放水量由d , n 大， 放水量在2 1 l s 以下时，薄壁堰上的水流是附贴堰壁下泄的，即贴壁流。如图1 2 所示。 后来经过初步的试验研究发现；当放水流量由小到大且流量平稳上升，放水流量在 2 1 l s 以下、堰上水头小于5 9 c m 时，一般会发生贴壁流现象。 本项研究是在发现贴壁流现象的基础上进行深入的试验研究和理论探讨，研究目的是： ( 1 ) 丰富和发展前人对矩形薄壁堰的研究成果填补矩形薄壁堰贴壁流的内容。( 2 ) 通过 对矩形薄壁堰的试验研究，找出贴壁流时水力特性的规律，包括发生贴蹙流时水面轮廓特 征；观测贴壁流与正常堰流时的临界水头( h # ) 、堰顶水流的佛汝德( n ) 数、雷诺( r e ) 数、韦伯( w e ) 数欧拉( e u ) 数等参数，以及这些参数与堰宽、堰高的关系；( 3 ) 通过初 步研究发现，矩形薄壁堰发生贴壁流时也有稳定的水头流量的关系，通过试验找出水头 中国农业大学工程硕士学位论文 第一章绪论 ( 日) 利流量( q ) 的对应关系，通过数学的方法找出其贴壁流时的流量与水头的变化规律； ( 4 ) 分析贴壁流发生的原因、条件，找出防止贴壁流发生的措施。 1 1 2 研究的意义 用矩形薄壁堰虽测流量只要测出堰上水头高度，就可以用流量公式和流量系数公式 计算出流量。雷伯克( t r e h b o c k ) 流量系数公式的适用条件是：堰上水头h 0 0 2 5 m l l 。“。 初步试验研究结果表明当堰上水头 0 0 5 9 m 时就有可能发生贴壁流，即，堰上水头 h = 0 0 2 5 0 0 5 9 m 时，在流量系数公式的适用范围之内，一旦发生贴壁流，根据堰上水头 计算出的流晕要小丁实际的过堰流量，这不但会影响流量的测量精度，更重要的是严重影 响了后续的试验成果。而且，实验室中的量水堰，根据需要有时建的较高，如山东农业大 学水利实验室水工模型试验所用的矩形薄壁量水堰，其渠顶高度为2 6 0 m ，一口发生地彗壁 流，人们很难发现。 河道中的自动翻板闸门，其过闸水头是小水头，因为人水头时闸门自动翻起。所以自 动翻板闸门的过闸水流可以看作是矩形薄壁堰贴壁流，如果本课题能找出矩形薄肇堰贴擘 流的流量公式，那么，我们就可以很容易地求出流过自动翻板闸门上的流量。 所以本课题研究矩形薄壁堰贴壁流的发生原因、水力特性、贴壁流时水头与流量的关 系、影响因素以及防止措旋，不但有其理论意义，也有其实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 堰流的类型 堰，从水力学的观点出发，凡是在具有自由表面的重力流的水流中，任何一种水工建 筑物( 或障壁) 只要它能引起壅水和溢流作用的都叫做“堰”，而这种局部的水流现象，统 称为“堰流”。我国早在二千多年前对堰的认识已达到相当高的水平，如秦代修建的都江堰。 虽历经二千多年的沧桑变化，至今仍发挥着巨大的作用。 工程上通常按照堰坎厚度6 与堰上水头h 的比值大小及水流的特征，将堰流分为薄擘 堰流、实用堰流及宽顶堰流三种类型。 1 21 1 薄壁堰流 1 8 8 8 1 8 9 8 年巴赞( b a z i n ) 对无侧收缩 自由出流的矩形薄壁堰进行了大量的试验( 试 验所用的堰宽b = 0 5 1 2 m ，堰高p = 0 2 4 0 7 5 m 堰上水头= 0 0 5 o 6 m 。根据试验资 料得到豹矩形薄壁堰溢流水舌表面轮廓如图 卜3 所示：在距堰壁上游3 h 处，水面降落了 0 0 0 3 l 在距堰壁上游2 h 处水面降落了0 0 1 从 在距堰壁上游处水面降落了0 0 4 , 在堰顶上圈1 3 矩形薄壁堰自由流水舌表面轮奔线 水面降落了0 1 5 凰由于水流质点越过堰顶时的惯性，水舌下缘在离堰壁0 2 7 h 处得到升 2 高，高出堰顶0 1 1 2 h ，此处的水舌厚度为0 6 6 8 , 此处水面降落了0 2 2 ：在距堰避 0 6 7 处水舌f 缘与堰顶同高，这点表明当堰擘厚度j o 6 7 时，堰肇就不会影响水舌的 , 形t t ，因此，把堰壁厚度j o 6 7 h 的堰，称为薄壁堰“。薄壁堰的水舌下缘与堰顶只 有线的接触，水舌形状不受堰坎厚度的影响，水面呈单一的降落曲线。 1 2 12 实用堰流 即o 6 7 h ( 6 2 5 h , 由于堰坎加厚，水舌下缘与堰顶呈面的接触，水舌受剑堰顶的 约束和顶托。但这种影响不大，越过堰顶的水流主要是在重力作用下自由跌落。t ：程中常 将堰的剖面做成折线型和曲线型，前者称为折线型实用堰，后者称曲线型实用堰。如图卜4 ( a ) 、( b ) 所示。 1 2 13 宽顶堰流 即2 ，5 h d 1 0 h , 在此条件下，堰坎厚度对水流的顶托作用已经非常明显。进入堰 顶的水流，受到堰顶垂直方向的约束，过水断面濒小，流速加大，动能增加，势能减小： 再加上水流进入堰顶时产生局部的能量损失，所以进口处形成水面降落。此后，由于堰项 对水流的顶托作用，有一段水面与堰顶几乎平行，当卜游水位较低时，出堰水流又产生第 二次水面降落。如图卜5 所示。 蹙 卜6 _ 一 荆， kj ”7 弼镰 d ( a ) lg l i 一 再一n l 飞 l ： l _ 。 疗 图1 - 4 实用堰流 图1 5 宽顶堰流 1 2 2 薄壁堰流的水力计算 1 2 2 1 矩形薄壁堰流 ( b ) 豳卜6 薄壁堰滋流 中国农业大学t 程硕士学位论文第一苹绪论 1 8 5 5 年威斯巴赫( w e i s b a c h ) 提出了水位流量公式2 “。矩形薄壁堰在无侧收缩自由 出流情况f 的流量公式用能量方程可推求出米。以堰顶为基准面，对断面0 一o 和1 1 写 能量方程，( 如图1 6 ) 。断面o o 即量测水头的断面，断面1 1 中点与堰顶高程相同， 该处水股的流线接近平行，但断面内部的压强不完全等于大气压强，而为曲线分布。所以 能量方程为 筹2c m + 等+ ；等 式中：v ”，分别为断面0 一o 和1 一l 的平均流速；a 和a 是相应断面的动能修上e 系数；善是局部水头损失系数；( p 。y ) 。断面l m l 的平均压强水头，g 为重力加速度。 龟耻肌等妒2 赤则 v = f a 3 2 9 h o 一，y ) 。】 设断面1 - - 1 的厚度为k h 。又令：0 ，y ) ，= 弘。 堰项溢流的流量为： q = k h o b v l = t 咖l 一孝2 9 h ：5 令：m = _ j 妒l 一， m u q = 肌6 2 9 叫5 式中q 为流量( m 3 s ) ：6 为堰宽；为包含行进流速在内的堰上水头；m 为流量系数。 用薄壁堰量测流量时，常根据直接测出的水头h 求流量，所以将行进流速水头包含在 流量系数中更为方便。于是流量公式为： a = m 0 6 2 9 1 5 “1 ( 1 - 1 ) 这是流量公式的通用式。从流量公式的推导过程可以看出，流量系数m 。包含了水股的 收缩程度k 、水头损失妒、水股的压强分布 、堰上行进流速水头等因素。所以流量系数 m 。需要通过实验来确定。常用的有巴赞( b a z i n ) 经验公式和雷伯克( t r e h b o c k ) 流擘系 数经验公式。 巴赞公式： s + 半) | 1 + 0 5 5 忐) 2 “之 式中h 为堰上水头，p 为堰高，其余符号同上。 适用条件：h = 0 1 1 2 4 m ，b = 0 2 2 0 m ，咫1 1 3 m “。 式1 2 是对堰顶厚度为0 0 0 7 m 的堰进行试验得出的，它与后人的试验成果颇有出入， 但在其适用范围内精度较高，误筹仅为1 。它的不足之处是其适用范围较小，特别是要求 堰上水头胗0 1 m ，影响了它的普遍使用。 雷伯克流量系数公式【1 1 ： 4 中国农j l , 大学工程硕- l - 学位论文 第一章绪论 m 0 ：扣6 0 5 + 半圳08 争( 1 - 3 ) 公式的适用条件：b = b ，h o 0 2 5 m ，l t t - 2 ，尸o 3 m 。 1 9 2 9 年，雷伯克( t h r e h b o c k ) 根据大量的试验提出了自己的流量计算式“1 ， d ：n 7 2 8 + ! 巡型! ! ：! ! 山 b ( t t + 0 0 0 1 1 ) ” ( 1 4 ) 公式的适用范围是：0 1 5 m 0 0 2 5 m ，另外，许多水力 学教材和水工模型试验规范提出了一个笼统的规定：矩形薄壁堰堰上水头h 0 0 3 m l ”，也 有的教材提出堰上水头不得小于0 0 2 5 m1 2 ”。可见，对堰上水头值的大小规定再家不一。 1 2 2 2 三角形薄璧堰流 矩形薄壁堰适宜于量测较大的流量，当流量较小水头较低时，矩形薄壁堰溢流水舌不 稳定，可能出现贴壁流现象。因此，小流景时宣用三角形薄壁堰作为量水堰。用矩形薄肇 堰流的基本公式推导三角形薄壁堰的流量公式，得出： q = m 。2 9t g h 2 5 ( 1 7 ) 汤姆逊( p w t h o m p s o n ) 根据试验得出”1 ，当堰上水头3 = 0 0 5 0 2 5 m 时，m y = o 3 9 5 实际应用的三角形薄壁堰的顶角常为直角。因此三角形薄壁堰的流量公式为 d = i 4 2 5 ( 卜8 ) 此式适用于伫2 t t ，占( 3 4 ) 肌符号同上。 lw 金( 1 t w k i n g ) 根据试验提出“1 ，当b = 0 0 6 o 5 5 m 的范围时，流量公式为 0 = 1 3 4 3 日2 4 7 ( 卜9 ) 1 2 2 3 梯形薄壁堰流 可以把梯形薄壁堰看作为矩形堰和二角形堰合并体( 中间是矩形薄壁堰，两侧合成三 角形薄壁堰) ，所以其过堰流量为矩形堰和三角堰之和，既 5 q = m o b2 厄h ”+ m t t 25 嘲。+ 器) 6 厨”( 1 - 1 0 ) 令m ，一。+ 卷 o = m ，6 瓦h ” ( 1 一1 1 ) 1 8 9 7 年意大利人西波利地( c i p o l e t t i ) 经过试验研究得出：当辔0 1 = 0 2 5 时，既口 1 4 0 时，m ，不随和b 而变化，且流量系数约为0 4 2 ，则 q = 0 4 2 b2 厄h 15 = 1 8 6 b h 5 ( 卅3 s ) 所以，把= 1 4 。的梯形堰称为西波利地( c i p o l e t t i ) 堰”3 1 2 3 表面张力对流量的影响 薄壁堰的堰上水头和流量之间存在着稳定函数关系，这一点是确定的。但这一函数关 系受多种因素的影响，如堰高、堰宽、渠壁的糙率、水头损失、堰上流速水头、水流的表 面张力、水的粘滞性等。其中水的表面张力和粘滞性对流量的影响在一定条件下是显著的， 对它的研究一直没有停止过。如；巴赞公式中的o 0 0 2 7 h 项反映了表面张力的作用 5 1 。在 雷伯克公式中，堰上水头项内加上一固定值0 0 0 1 l m ，就是为了消除水流表面张力的影 响 s l ；沙吉森公式中的韦伯数( w e ) 反映了表面张力对流量的影响i s l 。当堰上水头很小时， 因受表面张力作用，溢过堰顶的水股贴附堰壁下泄，当水头增加到一定程度，堰顶水面曲 度较小时，水股脱离堰壁i i j 。 当贴壁流发生时，堰板后面的通气孔不起作用，甚至向贴壁的水股内加气，水股也不 会脱壁，堰扳后面通气孔的作用只是向自由堰流水舌r 面补充空气，以免水舌下面的空气 被水流带走，使水舌上下摆动，影响溢流及流最的稳定性i l “。 王仆发分析了表面张力对矩形薄壁堰缩尺的影响，他用不同的堰上水头进行试验，用 体积法对过堰流量进行测定，用凯茨瓦特一卡特( k i n d s v a t e r - - - c a r t e r ) 经验公式对过堰流 量进行计算，把实测和计算的结果列表分析，发现当水头h 口+ 7 = o 6 7 5 + 0 2 2 5 = 0 9 ，连通管距渠底0 6 m ， 符合要求。 供水由高度为6 o o m 的平水塔，通过管径吐 = 5 0 0 m m 的供水钢管为水槽底部供水，进水 管的末端有一闸阀，用来控制流量，整个实验装置见圈2 5 。同时在供水管的平直段安装 一台美国产的超声波流量计，用来和薄壁堰测得的流量进行比较。 中国农业= 学工程硕十学位论文 第一二章矩形薄壁堰贴壁流试验研究 。 _ l 。j j 业一一u l 一一= 一1 l i 一 l 一一一一一一“ 图2 - 5 矩丹参薄壁堰实验装置示意图( 图中单位：r n m ) 2 2 矩形薄壁堰贴壁流现象的试验观测 试验目的是观测矩形薄壁堰贴壁流现象，贴壁流时的水流形态，确定由贴壁流到自由 流的临界水头值， 2 2 1 供水流量由小到大时的试验观测 试验方法及试验步骤：由水泵机组给平水塔供水。待平水塔溢流后，平水塔给整 个实验装置供水，供水管道末端有一个闸阀，调整闸阀的开启度可以调整试验流量的大小。 试验的第一个流量为小流量( 这样才能保证贴壁流发生) 。供水管道的末端安装了一个管 道式超声波流量计，用超声波流量计观测放水流量的大小。用安装在堰上14 m 处的水位 测针观测贴壁流时的堰上水头值，并随时记录观测值。平稳地增加放水流量，直到贴壁 流脱离堰壁形成正常堰流为l p ，记录脱壁前的贴壁流水头值。 为了找山贴壁流到正常的堰流的临界水头仃# 的大小，共做了五组试验。每组试验的 初始流量为小流量，待堰上水流平稳后观测水位测针的读数，然后控制闸阀使流量平稳地 增加，估计过堰水流快要脱壁时，流量增加的幅度要尽量小，一般是每增加一次流最，堰 上水位测针读数的增加幅度不应大于0 5 m m ，为了使堰上水头充分稳定，每增加一次流量， 3 分钟以后读堰上水位测针的值，这样直到贴壁流脱离堰壁为止，记录脱壁前一次水位测 针读数。堰上水位测针读数与堰顶处的水位测针读数之差就是堰上水头的值。重复上述试 验5 次。得到贴壁流临界上水头值。如表2 5 所示 表2 - 5 贴壁流临界水头试验记录表 4 1 i i j1|jj0ii 中国农业大学工程顽士学位论文 第二章矩形薄壁堰贴壁流试验研究 从上面的五组试验数据可以看出，当供水流量由小到大时，贴壁流到自由流的临界驵占 壁水头# 薜二4 9 9 5 0 5 c m 之间。观测超声波流量计，其临界流量约为0 蛄= 2 0 8 0 2 1 5 0 l s 之间。 必须指山的是，试验时的室内温度为3 0 0 c 、水温为2 5 “c 。 通过试验观测看到：矩形薄壁堰在贴壁流的情况f ，堰前及堰项处的水流平稳、光滑， 水流在堰顶处微微向外突出，堰后水流紧贴堰壁下泄。在小流量低水头，一般水头h “ 4 4 0 c m 时，附贴在堰板后面的水是平稳光滑的，随着水头的增大，附贴在堰板后面的水流 不再光滑，贴壁水流即将脱壁时，堰顶及堰后的贴壁水股不稳定，水流波动并抖动，伴有 波动卢，时间不长约几秒钟，水股脱离堰壁，形成正常的自由堰流。 当堰上的贴壁水头较小时( 一般水头h 2 5 c m 的原因。继续减小流量，水舌的抖动现象更加严重，直到发 生贴壁流现象为止。 如果把流量由小到大测出的贴壁流的临界水头称为上临界水头，则上临界水头t * ：5 0 5 c m 左右，此时转换成正常流的水头值在hl = 5 9 2 c m 左右；把流量由大到小测出的自 由流到贴壁流的临界水头称为下临界水头，则下临界水头产1 2 5 c m 左右，此时贴壁后的 水头为f = 1 0 0 c m 左右。 中国农业大学工程硕士学位论文 第一章矩形薄壁堰贴壁流试验研究 2 3 贴壁流时水面曲线的试验观测 试验目的是观测矩形薄壁堰在贴壁流情况下水面线的降落情况，与正常自由堰流的水 面线进行比较，观测不同贴壁流水头下的贴壁水流的厚度，确定贴蹙流厚度与堰上水头的 关系。 2 3 1 水面线的观测试验 2 3 1 1 观测设备的制作：用水位测针观测堰上水面的降落情况时，必须把水位测针放在 一个水平面上进行观测。我们制作了一个测车，安装在堰渠顶部。具体制作方法是：在堰 渠的顶部，固定安装两根角铁作为底座，在底座角铁上用螺丝固定两根角铁作为轨道，轨 道是经过精心打磨的，没有突起和凹陷，用螺丝固定的目的是为了便丁调节其高程，轨道 在安装时经过水准仪精心测量，使轨道的每一点都在一个水平面上；然后制作一个测车， 把测车安装在轨道上；把水位测针安装在测车上。如图2 6 所示 圈2 - 6 试验装量图 2 3 1 2 试验方法和试验步骤：用制作的观测设备测出堰项的测针读数；打开闸阀， 给实验系统供水，固定某一流量，使之形成贴壁堰流；待堰渠中的水流稳定后，用堰上 1 4 m 处的水位测针观测堰上水头口h 值的大小；用制作的观测设备，分别测出堰顶处的 水面读数、堰上日处的水面读数、堰上2 h = 处的水面读数、堰上3 e = 处的水面读数、堰 上5 h * 处的水面读数。水位测针在水面上的读数与堰顶上的读数之差，就是水流在各点处 的水头值，它直观地反映了水面的降落情况。贴壁流情况下的试验做完后，不要改变流 量，在堰上不远处用一块木板或者塑料板在水中用力一划，给过堰水流一个推力，水流在 这个外加推力的作用下，会脱离堰壁，形成正常的自由堰流。待水流稳定后，作同样的 试验观测。改变流量，使过堰水流贴壁，重复上述试验。 1 6 中国农业大学工程硕上学位论文第二章矩形薄壁堰贴壁流试验研究 2 3 1 3 试验数据的记录及计算 为了科学、准确，我们重复做了十儿组上述试验，限丁篇幅，选择五组流量间隔基本 相同的试验数据列y - 表2 - 6 和2 7 中。表中的流量0 值，是根据正常堰流的水头值的大 小，用流量公式q ：m 。6 虿h - s 和雷伯克流量系数公式m 。：导( o 6 0 5 + 生婴+ 0 0 8 h ) i # j仃1 算出来的，冈为雷伯克流量系数公式在小流量下比较准确。 式中b 为堰宽= o 7 6 5 m ：h 为堰上水头：m d 为流量系数；p 为堰高= o 6 9 8 m 。表中的其 他值是观测值。 表2 - 6 贴壁堰流情况下堰上各测点的水位读数及堰上水头表堰项测针读数：3 79 0 c m 。 77 3 1 0 6 9 1 5 3 7 1 717 2 0 4 0 水位读数c m 水头值c 1 1 水位读数c m 水头值c m 水位读数c m 水头值c m 水位读数c m 水头值c r n 水位读数c i 1 水头值c m 3 9 8 3 1 9 3 4 0 3 0 24 4 0 9 6 3 0 6 4 1 2 l 3 3 l 4 1 6 1 3 7 l 4 0 3 0 2 4 0 4 0 9 0 3 0 0 4 l _ 7 0 3 8 0 4 1 9 4 4 0 4 4 2 4 3 4 5 3 4 0 4 2 2 5 2 4 1 0 4 3 1 4 4 1 9 2 4 0 2 4 2 2 6 4 3 6 4 2 7 8 4 8 8 4 0 4 8 2 5 8 4 1 1 2 32 2 4 2 0 0 4 1 0 4 2 3 3 4 4 3 4 2 8 6 4 9 6 4 0 5 0 26 0 4 1 1 3 3 2 3 4 2 0 1 41 1 4 23 5 4 4 5 4 2 8 9 4 9 9 表2 7正常堰流情况下堰上各测点的水位读数及堰上水头襄堰顶测针读数：3 79 0 c a 中国农业大学工程硕士学位论文 第二章矩形薄壁堰贴壁流试验研究 2 3 2 薄壁堰自由流和贴壁堰流的水面曲线 2 3 21 水面线的绘制 选择一个代表性的流量0 = 1 7 1 7 l s ，根据表2 6 和2 7 的试验数据，分别绘出当流量 驴1 7 1 7 l s 时矩形薄壁堰贴壁流情况v 的水面线和正常自由出流情况下的