流体力学讲义 第十章 堰流

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； 4.堰顶厚度 δ； 5.上、下水位差 Z； 6.堰前行近0-1
1.根据堰壁厚度 d 与水头 H 的关系，如图 10-2：
图 10-2 1
图 10-3 2.根据上游渠道宽度 B 与堰宽 b 的关系，图 10-4：
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：
适用条件： 三、梯形薄壁堰
（10-9） 。
当
时的自由出流时的梯形薄壁堰公式为：
（10-10）
4
图 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。
第四节 有坎宽顶堰
一、自由式无侧收缩宽顶堰 主要特点：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，水面在堰尾第二次下降，如图 10-16。 选择：自由式宽顶堰的堰顶水深 h： A.h<hc； B.h>hc； C.h=hc； D.不定。（其中 hc 为临界水深）
第十章 堰流
堰流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、堰和堰流
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。
1.自由式无侧收缩宽顶堰的流量公式 取 1-1，2-2 断面写能量方程(4-15)：
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
若考虑到侧收缩影响及淹没影响，则堰流公式为：
图 10-7
（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
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
3.根据堰与水流方向的交角： 4.按下游水位是否影响堰流性质：
图 10-4
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.堰流和孔流的判别式
（1）宽顶堰式闸坝 堰流： e/H ≥0.65
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：
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<H；——必要条件 2）在堰下游发生淹没式水跃衔接，即 ht>hc ——充分条件
（10-7）
（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。
注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流。
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；
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。
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堰型：目前工程界广泛采用的是 WES 剖面堰。 选择：对于实用堰，对水流特性影响最大的是： A.上游直线； B.堰顶曲线； C.下游直线； D.反弧段。
二、流量公式
图 10-13
(10-11) 式中： B——B=nb，为全部闸孔净宽；
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。
一、矩形薄壁堰
图 10-8 3
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。
n——闸孔的数目； b——单个闸孔净宽； ε——侧向收缩系数，有
式中：
(10-12) ——边墩和闸墩形状系数。
图 10-14 边墩 值
图 10-15 中墩 值 三、实用堰的淹没判别
实用堰淹没判别与矩形薄壁堰的判别条件相同（即下游水位高过堰顶且发生淹没水跃），其流量公式为：
6
(10-13)
式中： ——淹没系数。
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
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。
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判断：从能量角度看，堰流和闸孔出流的过程都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)