石大水力学实验指导14消能坎（墙）实验

（十四）消能坎（墙）实验一、实验目的要求1．通过独立构思实验方案与模型实验，掌握断面模型试验的设计方法与实验技能。2．检验已知条件下设置消能工的必要性。3．检验现有消能坎高度设计方法的可靠性。4．观察过坎水流现象。二、实验设备实验设备如图14.1所示，图中宽顶堰更换成WES型曲线堰，并加设消能坎。图14.1消能坎实验设备局部图1．WES堰；2.可更换的不同尺寸的消能坎(C=3.5~4.2cm)本模型提供几种不同尺寸可更换的消能坎，可按设计结果选用相近高的坎。拆除消能坎后，可进行临界水跃共轭水深的测量。模型堰上游高为15cm，消力池长为45cm。三、实验原理按实验要求，本实验需独立构思模型实验方案，包括下列两个相关环节；一是据原型设计资料进行原型消能坎水力设计；二是按重力相似准则完成模型设计。有关公式如下：1．消能坎高的设计(14.1)(14.2)(14.3)(14.4)(14.5)以上各式中q为池深设计单宽流量，即q=qd1=Qd1/b。2．池长的设计(14.6)其中为相应池长设计流量Qd2的临界水跃跃后水深。3．模型比尺关系因堰坝溢流重力起主要作用，故模型按重力相似准则设计。即(14.7)由此可得出各水力要素比尺与长度比尺λl有如下关系：(14.8)(14.9)(14.10)()四、实验方法与步骤1．根据原型资料，分析确定消能坎高设计流量Qd1和池长设计流量Qd2，并设计坎高C和池长LB（参见表14.2）。2．把原型参数（参邮表14.3）按100:1的比尺换算成模型参数。3．测记模型中的有关常数列于表14.4中。4．装坎前先调控流量和尾门，使流量分别为、、和，使槽中形成临界水跃，然后分别测定其、、和（若Q2、Q3、Q4中有与Qd1同值则可删去），记入实验表14.5中，并与Q~ht曲线给定的相应值比较，以检验设置消能坎的必要性。5．装上与模型设计高度相同的消能坎，调控流量Q=Qd1，然后调节尾门，使下游水位处于相应于Qd1值。测记堰上游水位▽1和池末水位▽3（如图14.1）。由此可算得，绘出流态图。并依据下式确定实测的淹没＇，并完成实验表14.4。6．调控流量和尾门，分别使实验流量为Q1、Q2、Q3相应水位ht1、ht2、ht3以检验在给定的流量范围内，本消能工的水力设计是否安全。完成表14.5。五、实验成果及要求1．按实验步骤进行消能坎水力设计和模型设计，并作模型试验。要求检验各水力工况坎后衔接型式。（参表14.5）。2．在模型试验中，将设计的坎高、池长、淹没系数与实测的相应值比较，以检验消能坎水力设计方法的可靠性。（参表14.4）。3．整理记录、计算表消能坎有关设计资料：实验台号NO取WES堰的流量系数m=0.50。表14.1原型设计资料qmaxqminht1(q=qmax)ht2(q=qmin)ht3()(m3/s-m)(m3/s-m)(m3/s-m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)3020259.226.178.02133.5118.5119.5表14.2消能坎水力计算表q(m3/s-m)T0(m)h′co(m)h″co(m)ht(m)hs/h10σsC(m)qd1(m3/s-m)σ原型把以上设计结果换算成模型值填入表14.3。表14.3模型设计换算表λ1=100qd1T0h′coh″coht1Cσ原型设计(m·s)模型设计(cm·s)表14.4模型的测计表（表中单位为cm·s制，各水位均为qd1相应）实验台号No实验槽宽b=cm消能坎顶=cm三角堰流量公式Q=AHBcm3/sA=cmB=cm三角堰顶=cm三角堰水位=cm项目坎高C设计流量池长设计流量堰顶高程上游水位上游堰底下游堰底下游水深htqd1Qd1qd2Qd2设计值实验值项目下游水位坎高C池长LB流速系数T0h″co池水位坎前水深h′t淹没度σ设计值实验值表14.5（单位为cm·s制）流量组设坎前设坎后Qh″coh′t衔接型式坎前衔接型式坎后衔接型式123六、实验结果分析与讨论1、本实验的模型设计为何选用重力相似准则而不选用阻力相似准则？2、若消能坎下游为自由出流时，消能工应如何设计？3、如何用实验方