流体力学7-8堰流讲解

(1 )
a为墩形系数，矩形墩a=0.19，圆形墩a=0.10。
淹没式有侧收缩的宽顶堰溢流量
Q s mb 2 g H 0
3
2
13
五、薄壁堰和实用堰溢流
薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰流的受 力性质(重力作用，不计hf)和运动形式(缓流经障壁顶部溢 流 ) 相同，因此具有相似的规律性和相同结构的基本公式。
三角形薄壁堰
用矩形堰量测小流量时，堰上水头很小，量测误差增 大。为使小流量(Q<100 l/s )仍能保持较大的堰上水头，就 要减小堰宽，为此采用直角三角形堰 H=0.05~0.25m
Q 1.4 H
5/ 2
(m /s) (m /s)
0.67H
3
B
H
H=0.25~0.55m
Q 1.343H
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2．淹没的影响
2 0
2g
H0 H Q
v0
v
h
hc
P 1-1
2-2
c-c 淹没出流 hs 自由出流 hs
下游水位升高，顶托过堰水流，造成堰上水流性质 发生变化。堰上水深由h<hc变为h>hc ，水流由急流变为 缓流，下游干扰波能向上游传播，形成淹没溢流。 必要条件：下游水位高于堰顶 hs=h-p'>0 充分条件: 下游水位影响到堰上水流，急流变为缓流 3 hs=h-p'>0.8 2 s 0 淹没系数σs随淹没程度hs/H0的增大而减小，见P187表 7-9 12
2
2g
H c P 1 v0
v h
2
hc
c
hs hs
自由出流
一、自由式无侧收缩宽顶堰
进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断 面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流 (急流)，水面在堰尾第二次下降。 3 2 0
Q mb 2 g H
10
自由式无侧收缩的宽顶堰公式
Q mb 2 g H 0
1．薄壁堰溢流
矩形薄壁堰自由式溢流
Q m0b 2 g H 0 2
0.0027 H
3
m0计入行进流速水头的影响，采用巴赞公式
m0 (0.405
)[1 0.55(
2 H H P
) ]
公式适用范围：b≤2m，p≤1.13m，H≤1.24m 出现侧收缩可用修正的巴赞公式
2 b 2 0 . 0027 B b H m0 (0.405 0.03 )[1 0.55( ) ( ) ] H B H P B 14
2.47
3
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。
H V0
Z
Zc h"
P1 h'
15
2、实用堰溢流0.67</H<2.5
第八节
本章学习要点：
堰流 Weir Flow
• 堰的形式：薄壁堰、实用堰、宽顶堰。 • 堰流的基本公式。流量系数及其影响因素。
1
一、堰和堰流的定义
1、通俗定义：
堰：人们为了蓄水、发电、防洪、灌溉、交通、排水的 需要在河道和明渠上修筑的挡水建筑物，例如 坝、闸、桥、涵洞、坎等 堰流：水流经过这些挡水建筑物的流动
p/H>3.0
矩形直角进口 矩形修圆进口 m=0.32 m=0.36
3
2
流量系数m取决于堰口形式和相对堰高p/H，由经验公式
0 ≤p/H ≤ 3.0
m 0.32 0.01 3 P / H 0.46 0.75P / H m 0.36 0.01 3 P / H 1.2 1.5P / H
H d
0.67H
5
2、实用堰0.67≤ δ/H ＜2.5
实用堰堰顶厚度大于薄壁堰，δ 对水流有一定的影响， 但堰上水面仍一次连续降落； 其剖面有曲线型和折线型两种，水利工程中的大、中 型溢流坝一般都采用曲线型实用堰，小型工程常采用折线 型实用堰。
6
3、宽顶堰2.5≤ δ/H ＜10
宽顶堰堰顶厚度较大，δ/H>2.5，δ对水流有显 著影响，在堰坎进口水面发生降落，堰上水流近 似于水平流动，至堰坎出口水面再次降落与下游 水流衔接。 若堰宽增至δ/H＞10，hf 不能忽略，流动已不属 于堰流。 闸门全开放时的过闸水流、小桥孔过流、无压 短涵管过流等，都属于宽顶堰流。
Q mb 2 g H
3．侧收缩的影响
堰宽小于上游渠道宽b＜B，水流进入堰口后在侧壁 发生分离，堰的过流能力降低。非淹没式有侧收缩的宽顶 3 堰溢流量 2 0 侧收缩的影响用收缩系数 ε 表示，对单孔宽顶堰 a b 4 b B B 3 0.2 p
Q mb 2 g H
H
1
厚度：δ堰顶厚度 ，对堰的影响很大 速度：v0行近速度，上游来流速度 高度：H堰上水头，上游水位在堰顶上的最大超高
p，p’—堰上、下游坎高 h堰下游水深
4
三、堰的分类
堰顶溢流的水流情况，随δ/H比值范围而变化
1、薄壁堰δ/H ＜0.67
堰前来流由于受堰壁阻挡，底部水流因惯性作用上弯， 当水舌回落到堰顶高程时，距上游壁面约O.67H，堰顶厚δ ＜ 0.67H则堰和过堰水流就只有一条边线接触，堰顶厚度 对水流无影响，故称为薄壁堰。薄壁堰主要用作测量流量 的设备。
4、说明
堰流是一种无压缓流，经过堰溢流后，上游发生壅水， 水深增加，堰上水面跌落 凡有堰处均伴随收缩，除发生壅水或跌水外，必有收 缩，收缩是堰流的最大特点，此时速度增加、水面下 降 ห้องสมุดไป่ตู้顶堰：水面收缩 桥墩间：侧面收缩
3
二、堰的特征值
宽度：B上游渠道宽，上游来流宽度(B=b无侧收缩)
b堰宽，水浸过堰顶的宽度(桥B≠b)
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4、其它分类方式
根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系： 侧收缩堰（b<B） 无侧收缩堰（b=B） 按下游水位是否影响堰流性质： 自由式堰流（不影响） 淹没式堰流（影响） 按堰口的形状 矩形堰、梯形堰、三角堰
B H b
根据堰与水流方向的交角： 正堰、斜堰、侧堰
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9
四、宽顶堰溢流
H0
1
2 0
2、水力学定义：
堰：在缓流中，为控制水位和流量而设置的顶部溢流的 障壁。 堰流：缓流经堰顶溢流的局部水流现象。堰顶溢流时， 由于堰对来流的约束，使堰前水面壅高，然后堰上水面 跌落，流过堰顶。
2
3、堰的工程应用：
水利工程：溢流堰是主要的泄水建筑物 给排水工程：常用的溢流集水设备和量水设备 实验室常用的流量量测设备