工程流体力学第7章堰流和闸孔出流PPT_详细

1、第7章 堰流和闸孔出流,学习重点 7-1 概述 7-2 薄壁堰 7-3 实用堰 7-4 宽顶堰 7-5 小桥桥孔过流的水力计算 7-6 无压涵洞的水力计算 7-7 闸孔出流 7-8 泄水建筑物下游的消能与衔接,第7章 堰流和闸孔出流,学习重点： 1.堰流及闸孔出流的概念，堰的分类。 2.堰流过流能力的基本公式。 3.宽顶堰流的水力计算,7-1 概述,堰流 明渠水流受障碍物或建筑物的影响，上游水位雍高，然后水面降落，这种水流从障碍物上溢流至下游的水流现象称为堰流。 上述建筑物或障碍物称为堰,堰流：顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用，水流从建筑物顶部自由下泄,闸孔出流：顶部

2、闸门部分开启，水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间的孔口流出,一、堰流及闸孔出流的概念,1、堰流和闸孔出流的区别：堰流的水面线是光滑的降落曲线；闸孔出流的上下游水面是不连续的。由于边界条件的这种差异，它们的水流特征及过水能力也不相同。 2、堰流和闸孔出流的相同点：引起壅水，然后水面降落，是在重力作用下形成的一种水流运动，都是从势能转化为动能的过程。都属于明渠急变流，主要是局部水头损失。 3、堰流和闸孔出流的转化： 闸底坎为平顶堰时： 闸孔出流 堰流 闸底坎为曲线型堰时 闸孔出流 堰流,二、堰流及闸孔出流的特征,三、堰流的基本特征量,堰的几何要素： b：堰宽 B：渠宽 ：堰顶厚度 P1：上游

3、堰高 P2：下游堰高 水流的几何要素： H：堰上水头 v0：行近流速 ：堰上总水头 h：下游水深,一）按与H的相对大小分类 薄壁堰： 实用堰： 宽顶堰,四、堰流的分类,二）按堰下游水位h对堰的影响分类 自由堰：下游水位较低，不影响堰的出流条件。 淹没堰：下游水位较高或下游堰高较小，堰顶出流受到顶托作用，影响了堰的过流能力，使流量减小。 （三）按B和b的变化分类 有侧收缩堰：Bb。 无侧收缩堰：B=b,四、堰流的分类,四）其他分类 按堰孔形状可将堰分为矩形堰、三角形堰、梯形堰、曲线形堰等,列堰前断面与堰顶断面的能量方程,hc0=kH0,堰流流量公式,五、堰流过流能力的基本公式,令,m为流量系数，

4、与堰顶水头和堰的边界条件有关,Q mb （2g）1/2H03/2,一、矩形薄壁堰流 1、定义：堰口形状为矩形的薄壁堰。 2、薄壁堰用于量测设备时的要求： 矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流 上游渠宽与堰宽相同 下游水位低于堰顶 堰上水头H不宜过小，一般H2.5cm 水舌下面的空间应与大气相通，所以要求下游水位不能太高,7-2薄壁堰,3、计算公式,m0包含行近流速影响在内的流量系数,一、矩形薄壁堰流,1、定义：堰口形状为三角形的薄壁堰。 2、应用 当测量的流量较小一般用三角形薄壁堰。 3、计算公式,二、三角形薄壁堰流,H25cm H25cm,当Q较大而又不能用无侧收缩矩形堰时，常采用梯形堰,三、梯形薄

5、壁堰流,令 ，得,实验研究表明，当时，流量系数mt不随H及b变化，且约为0.42,7-3 实用堰,一、剖面形状 折线形 曲线形 二、曲线形实用堰 （一）曲线型实用堰的剖面形状 合理的剖面形状应当具有下列优点： 过水能力大 堰面不出现过大的负压 经济、稳定,一）曲线型实用堰的剖面形状,组成： 1.上游堰面AB，可垂直或倾斜： 2.堰顶溢流段BC： 3.下游堰面直线段CD: 4.堰面与下游河床相切的反弧段DE,堰顶曲线BC对水流特性的影响最大，是设计曲线实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方法，主要区别在于曲线段BC如何确定。 实际采用的剖面形状都是按薄壁堰水舌下缘曲线稍加修改而成,一

6、）曲线型实用堰的剖面形状,实验研究表明，曲线型适用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之比P1/Hd、堰顶全水头与设计水头之比0/Hd 以及上游面的坡度,二）曲线型实用堰的流量系数,侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面经验公式计算： 式中： n为堰孔数； H0为堰顶全水头； 为边墩形状系数； 为闸墩形态系数,三）侧收缩系数,实用堰的淹没条件也是下游水面高出堰顶和堰下形成淹没式水跃。淹没系数反映下游水位及护坦高程对过水能力的影响，当实用堰形成淹没出流时，其淹没系数s与堰的相对淹没深度hs/H有关（其中hs为堰的下游水位高出堰顶的高度,四）曲线型实用堰的淹没系数,7-4

7、宽顶堰,一.无侧收缩自由式宽顶堰 工程中，堰口形状一般为矩形 直角进口： 当0P/H3 当P/H3, m=0.32 圆角进口(r/H0.2 ) 当0P/H3 当P/H3， m= 0.36,二、无侧收缩淹没式宽顶堰,水流特点 淹没标准 hs0.8H0 计算公式,三、侧收缩宽顶堰,自由式侧收缩宽顶堰的流量公式为 淹没式侧收缩宽顶堰,7-5 小桥桥孔过流的水力计算,一）自由出流 若h1.3hc，下游水位不影响桥孔过流，称为桥孔自由出流,一、小桥桥孔过流的水力特征,二）淹没出流 若h 1.3hc，下游水位影响桥孔过流，此时为桥孔淹没出流,二、小桥桥孔过流的水力计算,1.计算临界水深 2.计算小桥孔径

8、自由出流，桥下河槽水深 淹没出流，桥下河槽水深hc0=h， 3.按采用的标准孔径验算桥孔过流情况 按采用的标准孔径B，重新计算hc，判别桥孔出流形式并计算桥下河槽的流速v。v应小于vmax 自由出流 淹没出流,二、小桥桥孔过流的水力计算,4.计算桥梁雍水 桥梁壅水水深要控制在规范允许的范围内。 自由出流 淹没出流 桥前壅水水深,7-6无压涵洞的水力计算,一、无压涵洞的分类 按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头的高低，水流通过涵洞时可分为无压力流、半压力流和压力流三种状态，相应地将涵洞分为 无压涵洞、半压力涵洞与全压力涵洞,二、无压涵洞的水力条件,设涵前水深为H，下游水深为h, 涵洞洞身净高为hT

9、 ，实验得知，要保证为无压涵洞，需满足以下水力条件： 下游水深小于涵洞净高，即hhT； 涵洞的进水口建筑为普通型（端墙式、八字式、不抬高式），涵前水深 （为洞身净高）；进水口建筑为流线形（喇叭形、抬高式），涵前水深,三、无压涵洞的过流能力计算,一）水力现象的分析 无压涵洞底坡一般为正坡（i0）。 平坡涵洞使用中易在涵洞内积水，影响路基稳定性，工程中一般尽量避免采用。 对于正坡无压涵洞，根据底坡大小和长度不同，分以下三种情况对水力现象进行分析。 （1）缓坡无压涵洞（iic） 当涵洞坡度过小时，易使收缩断面淹没，为了避免这种情况，工程上通常将涵洞底坡增大到等于或略大于临界坡来解决，坡度过小的缓坡涵洞尽量少采用,二）水力计算,短涵的过流能力可按宽顶堰计算 长涵的过流能力按明渠水流计算,7-7 闸孔出流,一、底坎为宽顶堰型的闸孔出流 1.底坎为宽顶堰型闸孔自由出流的水力计算 2.底坎为宽顶堰型闸孔淹没出流的水力计算,二、底坎为曲线型实用堰的闸孔出流,一、消能类型 （一）面流式消能 当下游水深较大而且比较稳定时，可采取一定的工程措施，将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床之间由巨大的底部旋滚隔开，可避免高速主流对河床的冲刷。余能主要通过水舌扩散，流速分布调整及底部旋滚与主流的相互作用而消除,7-8 泄水建筑物下游的消能与衔接,二）挑流式消能 利用下泄水流所挟带的巨大动