第七章明槽恒定流动

第七章明槽恒定流动

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第四节明槽恒定急变流

明槽急变流：水跌、水跃、弯道水流，堰、闸水流等

明槽急变流的过水断面上的压强分布不满足静水压强分布规律。

若以槽底为基准面，断面上的平均测压管水头应为，总水头

向上凸起的水流，β <1；向下凹的水流，β >1。

本节按传统的一维总流分析方法介绍明槽恒定急变流的规律。

一．水跌 ( Hydaulic drop>

当明槽水流由缓流过渡到急流的时候，水面会在短距离内急剧降落，这种水流现象称为水跌。

发生于：明槽底坡突然变陡处，跌坎，上、下游分别为缓流和急流。

边界突变，水流底部和下游的受力条件显著改变，使重力作用占主导地位，势能转变为动能，水面急剧地降落到临界水深线之下。b5E2RGbCAP

明槽渐变流水面线理论：水

跌转折断面上的水深hD应等于

临界水深。

实验观察，跌坎断面的水深

hD约为0.7hK，h = hK的断面约在跌坎断面上游<3~4）hK处。

二．水跃(Hydraulic jump>

明槽水流从急流过渡到缓流时水面突然跃起的局部水流现象称为水跃。

1．水跃现象及分类

典型的水跃流动

表面漩滚区有大量漩涡和掺气现象

能量消耗作用，消能。

名称Fr1特征能量消

耗

波状水跃Undular jump 1－1.7

形成一系列起伏不

平的波浪，没有表

面漩滚

< 5%

弱水跃Weak

jump 1.7－

2.5

跃高小，下游水面

较平静

5－15%

颤动水跃Oscillating

jump 2.5－

4.5

不稳定，水面产生

较大波浪

15－

45%

稳定水跃Steady jump 4.9－

9.0

理想的稳定状态

45－

70%

强水跃 Strong

jump > 9.0

流态汹涌，有波浪70－

85%

水跃发生的原因：水流不可能以渐变流形式实现从急流经临界流再到缓流的过渡

<1）能量守恒的要求

<2）水面线陡直上升破坏稳定性

水跃＝一个逆流传播的断波，波速＝来流流速，相对于两岸静止。

水跃水力计算问题：

水跃跃前水深h′和跃后水深h″之间的关系；

水跃长度l j；

水跃的能量损失。

2．水跃基本方程与共轭水

深关系

平底棱柱形渠道

动量方程

假定：摩擦阻力Ff可以忽略； P＝γyc A ( yc=过水断面A的形心在水面下的深度>；

平底棱柱形明槽的水跃基本方程

令 水跃函数 J(hK>=Jmin 。

J(h′> =J(h″> 跃前、跃后水深称为共轭水深

h′越小，相应的h″就越大，反之亦然 已知其中一个，可以求解另外一个

若平底明槽断面为矩形时，yc=h/2，A=bh ，单宽流量q=Q/b ，则

整理得

已知h′或h″，分别解该方程得平底矩形断面明槽水跃共轭水深关系如下：

.

以上各式也可以近似用于坡度较缓的明槽

h

J(h>

h″缓

hK

h′急 J(h′> =

J(h″>J

例：闸孔泄流下游水跃发生的位置和形态

已知：闸孔出流收缩断面水深hc<与H、e等有关），下游水深ht

h

当ht > hK时，下游为缓流，两种流态以水跃的形式衔接，跃后水深h″= ht 。

hc″=以hc为跃前水深计算出的跃后水深

<1）ht = hc″时跃前水深h′＝hc，水跃发生于收缩断面，为临界水跃(Critical jump>；p1EanqFDPw

<2）ht < hc″时，h′> hc ，水跃发生在收缩断面的下游，两者间有一定长度的过渡段，称为远离水跃( Remote jump >；DXDiTa9E3d

<3）ht > hc″，计算出h′< hc ，实际上收缩断面被水跃漩滚所淹没，称为淹没水跃(Submerged jump>。RTCrpUDGiT 3．水跃长度

消能建筑物设计的主要依据之一

还没有可资应用的理论分析公式。经验公式彼此相差较大：水跃位置的摆动；研究者选择跃后断面的标准不一致

经验公式多以h′、h″和来流的弗劳德数Fr1为自变量。

几个常用的平底矩形断面明槽水跃长度计算的经验公式：

（1）美国垦务局公式 <4.5

（2）Elevatorski公式

（3）成都科技大学公式

<4）陈椿庭公式

在其适用的Fr1值范围内计算结果比较接近。

4．水跃能量损失

若已知流量和跃前水深，可确定跃后水深，并计算两断面的总水头之差。

矩形断面平坡渠道有水跃段能量损失计算公式。

水跃段水头损失

得

相应的消能功率为ΔNj=gQΔEj

<7-4-11）

相对消能率<7-4-12）

例7-6 某泄水建筑物泄流单宽流量q = 15.0 m2/s，在下游渠道产生水跃，渠道断面为矩形。已知跃前水深h′=0.80 m，<1）求其跃后水深h″；<2）计算水跃长度lj；<3）计算水跃段单位宽度上的消能功率和水跃消能效率。5PCzVD7HxA

解： <1）已知q = 15.0 m2/s，h′=0.80 m，求h″。

跃前断面弗劳德数= 6.696

跃后水深= 7.19 m <2）水跃长度计算，采用各家公式分别计算得

= 43.86 m；

=44.09 m

=43.57 m；

=42.83 m

彼此相差不到3％。