孔口管嘴

曲线形实用堰
曲线形剖面堰轮廓由4段组成：①上游堰面AB，可垂直或 倾斜；②堰顶溢流段BOC，O为堰顶最高处；③下游堰 面直线段CD，在C点与OC曲线相切；④堰面与下游河 床相切的反弧段DE。
曲线形剖面堰的各种不断完善的剖面形式，正是针对BOC 曲线段提出来的。
WES 剖面堰
我国从上世纪60-70年代开始采用WES 剖面堰。 堰顶水头: Hd=Hw-0.112Hw=0.888Hw 式中Hw为薄壁堰堰顶水头。 OB段由三段圆弧组成：
收缩断面水深 hc e
自由出流的流量公式
Q be 2g(H0 e)
③孔口的收缩系数 Ac / A
④孔口的流量系数μ ，μ=ε 。
对薄壁小孔口μ= 0.60～0.62。
2）淹没出流
当出孔水流淹没在下游水面之下。
QvcAc A 2gH0 A 2gH0
孔口淹没出流的流速和流量
均与孔口的淹没深度无关，
也无“大”、“小”孔口的区别。
H0
H
1v12
2g
2v22
2g
1.2 1.5P / H
当P/H＞3，
m= 0.36
可证明，宽顶堰的流量系数最大不超过0.385，因此，m 的变化范围，应在0.32～0.385之间。
2)淹没式无侧收缩宽顶堰
宽顶堰的淹没判别 ： 进口平顺：hs /H0>0.75; 进口不平顺： hs /H0>0.85
淹没式无侧收缩宽顶堰的流量 Q mb 2gH03/ 2
惯性，水舌下缘在离堰壁0.27H处升得 最高，高出堰顶0.112H，此处水舌的垂 直厚度为0.668H。 ④距堰壁0.67H处，水舌下缘与堰顶同高. 这点表明，只要堰壁厚度δ＜0.67H，
堰壁就不会影响水舌的形状。
只要堰壁厚度δ＜0.67H，堰
壁就不会影响水舌的形状。因此，
把δ＜0.67H的堰，称为薄壁堰。
(1)圆锥形扩张管嘴 （θ=5～7° ）
(2)圆锥形收敛管嘴 （较大的出口流速 ） (3)流线形管嘴 （阻力系数最小 ）
孔口、管嘴的水力特性
8-4 堰顶溢流
无压缓流经障壁溢流时， 上游发生壅水，然后水面降落， 这一局部水流现象称为堰流。 障壁称为堰。堰对水流的作用： ① 侧向约束；② 底部约束。
HYDRAULICS
第8章
孔口（管嘴）出流、堰 顶溢流和闸下出流
Chapter 8 目录
8-1 概述 8-2 孔口出流 8-3 管嘴出流 8-4 堰顶溢流 8-5 闸孔出流
8-1 概述
孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和 闸孔出流属于急变流。其水头损失 以局部损失为主，沿程损失往往忽 略不计。这类水流形式在实际工程 中广泛存在。本章着重讨论上述建 筑物形体对过流能力的影响，及其 常用的水力计算方法。
阻力系数ζ
流速系数φ
流量系数μ
0.64
0.06
0.97
0.62
2、孔口非恒定出流
如容器水面随时间变化，孔口的流量 也会随时间变化，称为变水头出流或
非恒定流。 Qdt A 2ghdt
Qdt dh A 2ghdt dh
dt dh
A 2g h
H2
dh
t
H1 A 2g h
①当容器为柱体，Ω=常数，则有：
0.84 0.82 0.78 0.74 0.70 0.65 0.59 0.50 0.40
3)无坎宽顶堰流
当宽顶堰的堰顶高程与上游引水渠渠底高程相同 为无坎宽顶堰。
m
无坎宽顶堰流的流量系数与进口翼 墙形式有关 （见P292-293,表8-4-2～表8-4-4)。 被闸墩分隔的多孔无坎宽顶堰流的流量系数
闸门分类：平板闸门和 弧形闸门。
第坎分类：曲线形实用 堰和宽顶堰。
出流分类：自由出流和 淹没出流。
8-2 孔口出流
1、薄壁小孔口恒定出流
薄壁：出孔水流与孔壁仅在周线上接
触，即孔壁厚度对出孔水股没有影响。
小孔口：H/d>10
1)小孔口的自由出流
pc=pa=0
hw
hj
0
v22 2g
H
0v02
2g
有侧向收缩影响的流量系数
m0
0.405
0.0027 H
0.003 1 b / B0
1
0.55
b B0
2
H (H
2
P)2
薄壁堰在形成淹没溢流时，下游水面波动 较大，溢流很不稳定。所以，一般情况下量水 用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。
3、三角形薄壁堰
在H＜0.05m，流量小于100l /s时，宜采用三角
实用堰的流量公式采用堰流的基本公式进行计算，如
自由溢流
Q mb
2g
H
3 0
/
2
淹没溢流 Q mb 2gH0 3/ 2
由于实用堰堰面对水舌有影响，所以堰壁的形状及其 尺寸对流量系数有影响，其精确值应由模型试验确
定。在初步估算中，真空堰m≈0.50，非真空堰 m≈0.45，折线形实用堰m在0.35至0.42之间。
形薄壁堰作为量水堰
dQ m0 2gdbxh3/ 2
bx tan
H h
2
Q
4 5
m0
2g tan H 5 / 2
2
根据汤姆逊(P.W.Thomson)的实验，在H=0.05 ～0.25m时，m0=0.395。因此θ=90°的三
角形薄壁堰的流量公式为
Q 1.4H 5/ 2
金(H. W. King)根据实验提出，在H=0.06～
矩形薄壁锐缘堰自由溢流水舌几何 形状的观测成果，为后来设计曲线 形剖面堰提供了依据。
(2)矩形薄壁堰溢流的计算
流量公式
m0 2gbH 3 2
流量系数采用巴赞公式(1898)
m0
0.4 0 5
0.0 0 31 H
0.55
H H
2 P
适用范围 ： H≤1.24m，b≤2m，P≤1.13m
为了方便，可将公式改写成如下形式
Q m0 2gbH3/ 2
式中 m0 m(10v02 / 2gH)3/ 2 堰流基本公式适用于各种形式的堰流，只是流量系
数不同而已。
2. 矩形薄壁堰流
测量流量用的矩形薄壁堰，一般都做得和上游 进水槽一样宽，这样，水流通过堰口时，不 会产生侧向收缩。
1)具有溢流水舌有稳定的外形；(堰顶必须做成 向下游倾斜的锐角薄壁 )
R1=0.5Hd, c1=0.175Hd , a1=0.0316Hd R2=0.2Hd, c2=0.276Hd , a2=0.1153Hd R3=0.04Hd , c3=0.2815Hd , a3=0.136Hd OC段用经验方程表示：
x Hd
1.85
2 y Hd
WES 剖面堰的流量系数
堰顶曲线是依据Hd决定的，当H=Hd , md=0.502;
0.55m条件下，流量公式为
Q 1.343H 2.47
两式中单位，H 用m，Q 用 m3/s。
4. 实用堰流
实用堰主要用作蓄水挡水建筑物——坝 。其剖面 可设计成曲线或折线两类(如图）。
曲线实用堰的纵剖面外形轮廓，基本上按矩形薄壁堰 自由溢流水舌的下缘形状构制。
曲线形实用堰又分为非真空堰和真空堰两大类。
( c
0
)
vc2 2g
vc
1 c 0
2gH0 2gH0
Q vc Ac A 2gH0 A 2gH0
薄壁小孔口自由出流的基本公式
薄壁小孔口出流的各项系数
①流速系数 1 1
c 0 10
实验测得孔口流速系数 = 0.97～0.98。
②孔口的局部阻力系数
ζ 0
,
0
1
2
1
1 0.972
0.06
2g
v2
2g
hw
h
n
v2 2g
v
1
n
2gH0 n 2gH0
Q n A 2gH0
管嘴的流量系数
管嘴阻力系数 ζn= 0.5
管嘴流速系数
n
1
n
1 0.82 1 0.5
管嘴流量系数，因出口无收缩μn=φn= 0.82 显然μn= 1.32μ。可见在相同条件，管嘴的过流
能力是孔口的1.32倍。
Q mb
2g
H
3 0
/
2
流量系数m与堰的进口形式以及堰的相对高度p/H等有关
①直角进口： 当0≤P/H≤3
m 0.32 0.01 3 P / H 0.46 0.75P / H
当P/H＞3,
m=0.32
②圆角进口(r/H≥0.2 ) m 0.36 0.01 3 P / H
当0≤P/H≤3
1、堰流的基本公式
用能量方程式来推求
堰流计算的基本公式
H
0
v
2
0
2g
(z
p
)
(1
) v12 2g
令
z
p
H 0
v1
1
1
2g(H0 H0 )
，流速系数 1
1
v1 2g(1)H0
Q kH0bv1 kH0b
1
1
2g(H0 H0 ) k
1b
2
g
百度文库
H
3 0
/
2
令 m k 1
Q mb 2gH03/ 2 称为堰流基本公式。
t 2 A 2g
H1 H2
②当H1=H，H2=0，即得容器“泄空”(水面降
至孔口处)所需时间
t 2 H 2H 2V
A 2g A 2gH Qmax
变水头出流时容器“泄空”所需要的时间，等于
在起始水头H作用下恒定出流流出同体积水所
需时间的二倍。
8-3 管嘴出流
1、圆柱形外管嘴恒定出流
H
0v02
mc
mm (n 1) ms n
8-5 闸下出流
闸下出流水面线被闸门阻隔中断 , 上下游水面线 不连续 。
闸孔过流能力，与闸前水头、闸门开度、闸门型 式、底坎形式以及出流是否淹没等因素有关。
1、底坎为宽顶堰的闸孔出流
1）收缩断面及垂直收缩系数 同小孔口出流一样，孔后(0.5～1)e处出现收缩断面c-c，
H0 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
1.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87
H0 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98
3）小孔口的收缩系数及流量系数
实验证明，不同形状小孔口的流量
系数差别不大，但孔口边缘情况对
收缩系数会有影响，薄壁孔口的收
缩系数ε最小，圆边孔口收缩系数
ε较大，甚至等于1。孔口在壁面上
的位置，对收缩系数ε有直接影响 ，不完善收缩孔口的 流量系数μnc大于完善收缩的流量系数μ。
薄壁小孔口各项系数
收缩系数ε
根据实际需要管嘴可设 计成：
1）圆柱形：内管嘴和外管 嘴
2）非圆柱形：扩张管嘴和 收缩管嘴。
3、堰顶溢流
水流经堰顶下溢的水 力现象。水面呈连续降 落曲线。 堰的分类： 薄壁堰 H ＜0.67 实用堰0.67＜ H ＜2.5 宽顶堰 2.5＜ H ＜10
4、闸孔出流
水流从闸底缘与底板 形成的孔口流出的水力 现象。
2．圆柱形外管嘴的真空
孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而 增加，这是由于收缩断面处真空的作用。
pc
vc2
2g
v 2
2g
hj
vc
A Ac
v
1v
pc
v2 v2 2 29 2g
se
v2 2g
对圆柱形外管嘴：
pc
2
1
1
2
2
H
0
α=1， ε=0.64， φ=0.82
pc
0.75H 0
当实际工作水头H大于或小于Hd ，流量系数m也将有所变 化。
侧收缩系数
控制水位和流量，堰顶常设有多孔闸门和闸墩， 造成过堰水流的侧向收缩。
Q cm 2gBH03/2
可用“有效宽度”Bc代替实际堰宽B,
Bc B 0.2[ k (n 1) 0 ]b
c
1
0.2 n
[
k
(n 1) 0 ]
5. 宽顶堰流
1、孔口出流
液体经容器壁上孔口流 出的水力现象。 孔口分类： 大孔口 H/d＜10 小孔口 H/d≥10 流动分类：恒定和非恒定出 流 出流分类：自由出流和淹没 出流 收缩分类：完善收缩和不完 善收缩
2、管嘴出流
在孔口接一段长l=(3～ 4)d的短管，液流经过短管 并充满出口断面流出的水 力现象。
圆柱形外管嘴的正常工作条件
收缩断面的真空是有限制的，如长 江中下游地区，当真空度达7米水柱以上 时，由于液体在低于饱和蒸汽压时会发 生汽化 。
(1)作用水头H0≤9米； (2)管嘴长度l=(3～4)d。
3）其他形式管嘴
工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减 少)出口的速度，常采用不同的管咀形式
2)稳定的流速分布和压强分布；(堰板下游侧墙 内埋设通气孔，使水舌内外缘空气压强相等 )
3)稳定的水头和流量关系。(堰顶水头H≥3cm)
(1)矩形薄壁堰无侧向收缩自由溢流的 水舌形状
①在距堰壁上游3H处，水面降落0.003H， ②在堰顶上，水舌上缘降落了0.15H。
③由于水流质点沿上游堰壁越过堰顶时的
宽顶堰流分自由式和淹没式两类。宽顶堰上的水流主 要特点：自由式宽顶堰流在进口不远处形成一收缩 水深h1(即水面第一次降落)，此收缩水深h1小于堰 顶断面的临界水深hk，形成流线近似平行于堰顶的 渐变流，最后在出口(堰尾)水面再次下降(水面第二 次降落)，
1)自由式无侧收缩宽顶堰
自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算可采用堰流基本公式