流体力学讲义 第十章 堰流

第十章堰流

堰流就是明渠缓流由于流动边界急剧变化而引起的明渠急变流现象。本章主要介绍各类堰流的水力特征、基本公式、应用特点及水力计算方法。

概述

一、堰与堰流

堰:在明渠缓流中设置障壁,它既能壅高渠中的水位,又能自然溢流,这障壁就称为堰。

堰流(weir flow):缓流越过阻水的堰墙溢出流动的局部水流现象称为堰流。

选择:堰流特定的局部现象就是: A、缓流通过障壁; B、缓流溢过障壁; C、急流通过障壁; D、急流溢过障壁。

研究堰流的主要目的:

探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系。

堰流的基本特征量(图10-1)

1、堰顶水头H;

2、堰宽b;

3、上游堰高P、下游堰高P1; 图10-1

4、堰顶厚度δ;

5、上、下水位差Z;

6、堰前行近流速υ0。

二、堰的分类

1、根据堰壁厚度d与水头H的关系,如图10-2:

图10-2

图10-3

2、根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系,图10-4:

3、根据堰与水流方向的交角:

图10-4

4、按下游水位就是否影响堰流性质:

5、按堰口的形状:

堰可分为矩形堰、梯形堰、三角堰。

三、堰流及孔流的界限

1、堰流:当闸门启出水面,不影响闸坝泄流量时。孔流:当闸门未启出水面,以致影响闸坝泄流量时。

2、堰流与孔流的判别式

(1)宽顶堰式闸坝

堰流: e/H ≥0、65 孔流: e/H <0、65

(2)实用堰式闸坝(闸门位于堰顶最高点时)

堰流: e/H ≥0、75 孔流: e/H <0、75

式中: e——闸门开启高度; H——堰孔水头。

判断:从能量角度瞧,堰流与闸孔出流的过程都就是一种势能转化为动能的过程。对

第一节堰流的基本公式

一、堰流基本公式推导(图10-7)

由大孔口的流量公式(7-6)

及,并考虑上游行近流速的影响,令图10-6

得堰流的基本公式:

(10-1)

式中:m——堰流流量系数,m=。

二、堰流公式图10-7

若考虑到侧收缩影响及淹没影响,则堰流公式为:

(10-2)

(10-3)

式中:——淹没系数,≤1、0;

——侧收缩系数, ≤1、0 。

m0——计及行近流速的流量系数

第二节薄壁堰

薄壁堰(如图10-8)主要用途:用作量水设备。薄壁堰口的横断面形状不同,相应的流量系数也不同。

图10-8

一、矩形薄壁堰

1、基本公式

(10-4)

2、无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰:

采用巴赞公式计算:

(10-5)

公式适用范围:b=0、2~2、0m,P=0、24~0、75m,H=0、05~1、24m,式中H、P均以m计。

初步设计时,取,则:

(10-6)

3、有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰:

(10-7)

4、矩形薄壁堰的淹没判别条件(图10-9)

1)堰下游水位高出堰顶标高,即z

2)在堰下游发生淹没式水跃衔接,即h t>h c——充分条件

(10-8)

淹没溢流时,不仅堰的过水能力降低,而且下游水面波动较大,溢流不稳定。所以用于测量流量用的薄壁堰,不宜在淹没条件下工作。

图10-9

二、三角形堰(图10-10)

堰通常用于实验室作小流量测量。当堰为直角三角堰时:

(10-9)

适用条件:。图10-10

三、梯形薄壁堰

当时的自由出流时的梯形薄壁堰公式为:

(10-10)

说明:当时,侧收缩梯形堰倾斜部分所增加的流量,正好抵消

矩形堰侧收缩影响所减小的流量。即有侧收缩的的梯形堰作自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩形堰的流量。

注:以上三类薄壁堰的流量计算公式均就是指自由出流。图10-11

问题1:当用矩形薄壁堰来测量流量时, , 下,水流最稳定,测量精度最高。

A、有侧收缩自由出流;

B、有侧收缩淹没出流;

C、无侧收缩自由出流;

D、无侧收缩淹没出流。

问题2:为保证薄壁堰为自由出流,应满足:

A、堰上水头尽量小,水舌下游空间应与大气相通;

B、堰上水头不宜过小,水舌下游空间应与大气相通;

C、堰上水头尽量小,水舌下游空间不应与大气相通;

D、堰上水头不宜过小,水舌下游空间不应与大气相通。

第三节实用堰

实用堰的主要用途:用作蓄水建筑物——坝,或净水建筑物的溢流设备,如图10-12。

图10-12

一、曲线型实用堰(图10-13)

1、真空实用堰、非真空实用堰

非真空实用堰(non-vacuum weir):若堰面的剖面曲线基本上与堰的水舌下缘外形相符,水流作用于堰面上的压强仍近似为大气压强,这种堰称为非真空实用堰。

真空实用堰(vacuum weir):若堰面的剖面曲线低于堰的水舌下缘,溢流水舌脱离堰面,

脱离处的空气被水流带走而形成真空区,这种堰称为真空实用堰。

选择:当曲线型实用堰的实际作用水头大于设计水头时,则过堰流量会: A、减小; B、增加; C、不变; D、不定。

2、曲线形实用堰的设计

要求:堰面不发生负压,流量系数大,堰剖面较小,工程量小, 稳定安全。

堰型:目前工程界广泛采用的就是WES剖面堰。

选择:对于实用堰,对水流特性影响最大的就是: A、上游直线; B、堰顶曲线; C、下游直