工程水力学复习资料

工程水力学

复习要点

液体的主要物理性质

连续介质、密度、粘滞性、压缩性、表面张力

一、水跃复习要点

1.棱柱体水平明渠的水跃方程

2.共轭水深的计算

3.水跃跃长的计算

1、一、水跃的概念

水跃（hydraulic jump）：是明槽水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象。

水跃的分区旋滚区：水跃区域的上部呈饱搀空气的表面旋滚似的水涡。

主流区：水跃区域下部为在铅直平面内急剧扩张前进的水流。

水跃区的几个要素

跃前水深——跃前断面（表面旋滚起点所在过水断面）的水深；

跃后水深——跃后断面（表面旋滚终点所在过水断面）的水深；水跃高度a=h“-h’水跃长度——跃前断面与跃后断面之间的距离

二、水跃的基本方程

1. 水跃函数

2.水跃的基本方程

式中、分别为跃前水深、跃后水深，称为共轭水深，即对于某一流量Q，具有相

同的水跃函数的那两个水深，即为共轭水深

三、水跃的形式

临界水跃：当时，水跃的跃首刚好发生在收缩断面上，跃后水深等于下游水深，称为临界水跃。

远离式水跃：当时，水跃发生在收缩断面之后，跃后水深大于下游水深，称为远离式水跃。

淹没水跃：当时，当下游水深大于临界水跃的跃后水深时，水跃淹没收缩断面，称为淹没水跃。

二、堰流及闸孔出流复习要点

1、概述

堰和堰流：无压缓流经障壁溢流时,上游发生壅水,然后水面跌落,这一局部水力现象称为堰流（Weir Flow）;障壁称为堰。

堰流的基本特征量

1.堰顶水头H；

2.堰宽b；

3.上游堰高P、下游堰高P1；

4.堰顶厚度δ；

5.上、下水位差z；

6.堰前行近流速υ0。

堰的分类

堰流及孔流的界限

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。

堰流和孔流的判别式

（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。

2、堰流的基本公式

式中:m——堰流流量系数，m=

堰流公式

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。

例：某矩形断面渠道，为引水灌溉修筑宽顶堰（如图10-19）。已知渠道宽B=3m，堰宽b=2m，坎高P=P1=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进口，单孔，边墩为矩形，下游水深h=2m。试求过堰流量。

解:（1）判别出流形式

h s=h-P=1m>0 ————必要条件

——充分条件

满足淹没溢流必要条件，但不满足充分条件，为自由式溢流。b< B，有侧收缩。综上所述，

本堰为自由溢流有侧收缩的宽顶堰。

（2）计算流量系数m : 堰顶为直角进口，P/H=0.5<3，则由公式得

（3）计算侧收缩系数

（4）计算流量：自由溢流有侧收缩宽顶堰

其中

用迭代法求解Q，第一次取H 0(1)≈H

第二次近似，取

第三次近似，取

本题计算误差限值定为1%，则过堰流量为Q=Q(3) =8.48m3/s

（5）校核堰上游流动状态

上游来流为缓流，流经障壁形成堰流，上述计算有效。用迭代法求解宽顶堰流量高次方程，是一种基本的方法，但计算繁复，可编程用计算机求解。

三、泄水建筑物下游的水流衔接与消能复习要点

泄水建筑物下游的水流特性表现为:流速高、水深小、单宽流量大、能量集中。下泄水流对河床具有极大的破坏性，直接威胁大坝本身的安全。

底流消能的水力计算

挑流消能的水力计算

底流式消能(underflow energy dissapition）在建筑物下游采取一定的工程措施，控制水跃发生的位置，通过水跃产生的表面旋滚和强烈的紊动来消除余能。

挑流式消能(ski-jump energy dissapition)将水流挑射至远离建筑物的下游，使下落水舌对河床的冲刷不会危及建筑物的安全。下泄水流的余能一部分在空中消散，大部分在水舌落入下游河道后被消除。

面流式消能(surface flow energy dissapition)

将下泄的高速水流导向下游水流的上层，主流与河床被巨大的底部旋滚隔开。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

§9.1 底流消能的水力计算

❖泄水建筑物下游收缩断面水深的计算

❖ 泄水建筑物下游水跃的位置及其对消能的影响 ❖ 控制水跃位置的工程措施 例题

某 WES 堰,顶设计水头H d = 3.2 m ，设计水头下溢流堰流量系数 m d = 0.502, 流速系数 为0.95，上下游堰高均为 30 m,下游水深 h t = 4.6 m 。 （1）不考虑侧收缩影响，求通过溢流堰的单宽设计流量q ；

（2）判断通过设计流量时，堰下游水流衔接形式，若需要建消能工，则进行挖深式消能池的水力计算。

解

1. 判断溢流坝下游水流衔接形式 为了判断溢流坝下游水流衔接形式，先计算下游收缩水深hc 及其共轭水深 hc ” 。可用查图法或迭代法。

解法一：采用查图法计算hc 及hc ”

（1）计算堰顶水头作用下通过溢流堰的单宽流量 当不计侧向收缩影响及行进流速水头时，由实用堰流量公式可得

因下游水位低于堰顶，溢流堰为自由出流。取淹没系数σs = 1.0 。 于是

（2）计算临界水深 h k 对于矩形断面有

，故

（3）计算以下游收缩断面底部水平面为基准的总水头E 0

s

m 42.12m)2.3()s m 8.9(249.00.122

32=⨯⨯⨯⨯=q g

q h 3

3k

=23s 2H g m b

Q q σ==m 5062)

s m 89()s m 2.421(32

2232k ..g q h ===