流体力学讲义-第十章-堰流

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.

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。

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)

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。

图10-13

二、流量公式

(10-11）

式中：B—-B=nb，为全部闸孔净宽；

n——闸孔的数目；

b-—单个闸孔净宽；

ε-—侧向收缩系数，有

(10-12）

式中：--边墩和闸墩形状系数。

图10-14边墩值

图10—15 中墩值