石大水力学实验指导15挑流消能实验

（十五）挑流消能实验一、实验目的要求1．掌握测量挑距的实验技能。2．了解挑流的消能过程与效果。3．观察随下游水位的变化，挑流演变成临界戽流直至最后形成淹没戽流的流动特征。二、实验装置实验设备如图11.1所示，图中WES曲线堰的局部装置如图15.1所示。图15.1挑流实验局部装置图合理设计挑流消能工的鼻坎形式、反弧半径、鼻坎高程和挑射角度是关系到泄水建筑物的安全、经济等重要问题。连续式挑流鼻坎由于其构造简单、挑距远、鼻坎上水流平顺和不易产生空蚀，因而被广泛应用。理论上可推得当挑射角时，挑距最远（详见六、1解答）。但由于须考虑自由起挑流量及出射水流的平顺性，一般工程鼻坎的挑射角大都选在的范围内。鼻坎高程高出下游水位。鼻坎反弧半径R太小时，水流轴向不够平顺，过大时，鼻坎向下游延伸太长，将增加工程量，一般取R=（8~12）h1(h1坎上水深)。本实验模型采用WES型堰，挑坎反弧半径R=10cm。三、实验原理连续式鼻坎由于其结构简单、紧凑、经济而成为最常用的一种挑流鼻坎。挑流消能是利用鼻坎将下泄的高速水流向空中抛射，使水流扩散，并掺入大量空气，然后降落在离建筑物较远的地点与下游水流相衔接。水流在同空气摩擦过程中和在下游水垫中消耗能量。若采用宽尾墩或其它类型鼻坎挑流，由于空中有较大的扩散，落水余能减少，可减轻对河床的冲刷，但应用较少。本实验只限于连续式挑流量鼻坎消能。连续式挑流鼻坎的水平挑距，可按抛射运动原理计算，一般按水舌外缘轨迹的延长线与下游河床面的交点至鼻坎末端的水平距离作为挑距。挑距计算公式如下（参图15.1）：（15.1）（15.2）(15.3)(15.4)(15.5)(15.6)式中，z为上、下游水位差；q为单宽流量；为流速系数；g为重力加速度；为坎顶过水断面平均流速；为坎顶过水断面水面的流速；为鼻坎挑角；s1为以坎顶为基准的上游来流总能头；R为反弧半径；h1为1-1断面的水深；K为流能比；为坎高，即挑坎顶部至下游河床的高差。其中为已知，▽1待测定。据此，由式（15.5）、(15.6)可计得，然后再由式（15.3）代入式(15.4)计算，进而可求得挑距的理论值，以便将实测挑距与之比较。四、实验方法与步骤1．测记有关常数；2．打开进水阀，通过量水堰求得来水流量，然后降低尾门，使下游水位保持在最低水位，依据下泄水流的挑流型式，绘出挑流流态图；3．测量各有关实验数据；注意：（1）测量挑距时，要把尾门降低到最低，并用导杆分拨水舌脱离侧壁，以使水舌下空腔与大气相通；（2）水舌外缘与渠底相交处，为挑距下游测点。4．保持上游来流条件不变，逐渐增加下游水位，观察消能形式逐渐从挑流到临界戽流，最后形成淹没戽流消能的过程，分别测记上述消能形式换时的下游水位；5．在下游水位为较低水位时，逐渐减少上游来流流量，使之由于动能不足，水流挑不出去，而在挑坎反弧段内形成旋滚，然后由坎顶漫溢跌至坝脚，冲刷近处基础，测计此时的上游水位及流量；6．关泵停水，试验结束。五、实验成果及要求1．定性绘出挑流消能上游至下游的总水头线及流态图；2．绘制临界戽流和淹没流形态示意图；3．依据已知设计流量、槽宽、鼻坎挑角等，求出理论挑距，并与实测值比较（参表15.2）；4．整理计算下列表格：有关常数：实验台号No槽宽b=cm，挑角θ=，坝顶高程cm，坎顶高程cm，上游渠底高程cm，下游渠底高程cm，量水堰顶高程cm。表15.1挑距量测表（表中单位为cm．s制）三角堰上游水位实验流量Q上游水位下游水位实测挑距L01表15.2挑距计算表（表中单位为cm．s制）qzKS1h1uL0六、实验分析与讨论1．从理论上讲，当鼻坎挑角=45°时，挑距最大，但实际工程中鼻坎挑角一般选用范围为15°~35°，原因何在？2．鼻坎高程愈低，出流断面流速愈大，挑距愈远，如何合理选择鼻坎高程？3．试分析在挑流消能中，能量消耗的主要途径。4．按公式15.1计算得出的挑距与实测挑距有一定的误差，试分析其原因。5．根据实验观察和成果计算，简要分析挑流和戽流这二种消能方式的适用条件和范围。

附录15.1流量计算公式：三角堰：Q=AHB式中，H为三角堰堰上水头，A、B为率定常数。附录15.2几种消能工水流特征及适用条件比较项目消能方式底流消能挑流消能面流消能戽流消能水及流消的能特过征程表面为漩滚区，主流集中在底部逐渐扩散。通过水跃区及跃后段内强烈的紊动和流速分布改组而达到消能的目的。借坝端挑坎将急流抛入空中。通过水舌在空中扩散、掺气、落入下游与水体碰撞及冲刷河床而消能。在适当的尾水时，借跌坎将主流导向下游表面，使之逐渐扩散，底部有漩滚。余能的消散是靠底部漩滚区中水流强烈紊动和主流沿程扩散而达到。兼有面流及底流的特点。适用条件常用于下游河床地质条件较差的中低水头建筑物。多用于高水头泄水建筑物，下游河床最好为较完整的岩基。中小型工程，下游有较深而变幅不大的尾水。尾水较深的各类泄水建筑物。下游河床最好为岩基。主要的优缺点优点：水跃稳定，安全可靠，消能效果好，下游水面波动小。缺点：消力池的工程量大，增加造价。优点：节约护坦工程，可降低造价，消能效果好。缺点：空中雾气大，尾水波动大，要求下游河床抗冲能力强。优点：主流在表面