第七章-堰流PPT课件

-,1,第七章堰流,71堰流的定义及分类,72堰流基本公式,73薄壁堰,74宽顶堰,-,2,71堰流的定义及分类,一、定义：,1、堰：,明渠水流中的局部障壁称为堰。,2、堰流：,无压缓流流经堰顶时的局部水力现象称为堰流。,堰流特点,上游发生水位壅高，然后水面降落水力计算仅考虑局部水头损失，沿程水头损失可忽略不计。,-,3,障壁对水流的作用：,从底部约束水流，如图，如堰、闸、坝等。,从侧向约束水流，如图，如桥、涵洞等。,堰流的水力计算是这些构筑物水力计算的理论依据。,-,4,二、分类,工程中堰的种类很多，按堰顶厚度可以划分为薄壁堰、实用断面堰和宽顶堰。,按/H分类,/H0.67薄壁堰流,0.67/H2.5实用堰流,2.5/H10宽顶堰流,曲线形,折线形,有坎,无坎,-,5,1、薄壁堰,/H0.67,此时水舌不受堰壁厚度的影响，水流呈自由下落曲线。,据堰上形状,矩形堰,三角堰,梯形堰,-,6,2、实用断面堰,0.672.5,此时影响水舌的形状。过堰水流开始受到堰顶的约束，但水流基本上还是在重力作用下的自由下落曲线。,这种堰常见的有折线型和曲线型两种。工程中多采用曲线型实用断面堰，因为它可减小堰顶对水流的阻力和增加堰的流量。一些小型工程为施工方便，采用折线型实用断面堰。,-,7,3、宽顶堰：,此时过堰水流受堰顶的顶托作用加大，进口处的降水曲线形成收缩断面，堰顶水面有一段几乎与堰顶平行。,当经实验证明，其沿程水头损失已不能忽略，水流特性不再属堰流，而是明渠水流了。影响堰流过水能力的因素很多，主要有堰前水头H、堰宽b、堰顶厚度、行近流速v、堰剖面形状、下游水位等。,-,8,堰流的分类除按以上进行划分以外，还可按下游水位是否影响堰的泄流量进行划分。,堰的自由出流：,下游水位较低，不影响堰的泄流量。,堰的淹没出流：,下游水位较高，能影响堰的泄流量。,侧收缩堰：,上游渠道宽度B堰宽b,无侧收缩堰：,上游渠道宽度B=堰宽b,-,9,72堰流基本公式,在讨论堰流的问题中，虽然各种不同的堰有一定的差别，但它们都可以不计沿程水头损失，所以三种堰流的水力特性基本一致，因此，堰流的流量公式可以统一推导。,如右图所示，取过堰顶的水平面为基准面，22截面的中心与堰顶同高。,列12截面间伯氏方程：,-,10,由于：,=0,0,令,行进流速,则,令,流速系数,其过水断面：b堰宽，e水舌厚度，ekH0，k系数,-,11,则堰流流量,令,流量系数,则有,或,考虑行近流速纳入m0的流量公式,-,12,73薄壁堰,薄壁堰是一种常用的量水设备，堰口形状主要有矩形和三角形两种，下面分别介绍它们的流量计算公式。,矩形,三角形,-,13,一、矩形薄壁堰：,（一）自由出流,如右图所示,1、公式,考虑行近流速在m0中,堰上水头，应在距堰板上游大于3米的地方测量,-,14,2、m0的确定,1）雷布克公式,公式适用范围：,0.1P1.0（m）,2.4H60（cm）,-,15,2）巴赞公式,公式适用范围：,0.2b2.0(m)0.24P1.13(m)0.05H0.6(m),-,16,3、侧向收缩矩形堰,当堰宽b小于上游渠道宽度B时，为侧向收缩矩形堰，其流量系数有所折减，可按下式计算：,-,17,4、注意要点,1）H3m，否则因表面张力作用将发生贴附溢流，如右图。,2）水舌下面的空间应与大气相通，否则水舌形成局部真空，如图a,影响出流稳定。通常应在水舌下面的侧壁上设置通气管。如图b,-,18,（二）淹没出流,当下游水位高于堰顶时，且发生淹没水跃时，形成淹没式堰流，其泄流量为,-,19,二、三角堰,三角堰因上游水头随流量变化较快，量测精度较高，常用于测量较小的流量，其流量公式为：,M系数，随角不同而不同,1）当堰口形状为等腰三角形时（60）：Q1.343H2.47m3/s适用条件：H0.050.25m当堰口形状为90时：Q0.0154H2.47m3/s适用条件：H0.050.25m,-,20,74宽顶堰,在实际工程中，有许多建筑物都属于宽顶堰，如排水闸，进水闸等。因此宽顶堰的理论与水工建筑物设计有着十分密切的联系。,自由出流,淹没出流,-,21,一、宽顶堰的自由出流,P130图78为宽顶堰的自由出流。当水流通过堰顶时，一方面因过水断面缩小，流速增大；另一方面则因水头损失增大，因而势能减小，使堰口附近的水面有显著降落，至收缩断面水深达到最小值h，此后堰顶水深稍有增加至hk，且水面近似水平，至出口附近，水面又逐渐下降，最后水流以急变流的方式流入下游。,-,22,1、计算公式,在上游及堰顶分别取缓变流断面，然后列两断面间的伯氏方程，我们便可以得到宽顶堰自由出流的流量公式：,其中,m流量系数,b堰宽,从公式可以看出，要得到自由出流的流量值,关键在于m值的确定。,-,23,2、m的计算,m值的大小与堰的进口形式以及堰的相对高度有关。,A、当进口为直角形时：,B、当进口为圆弧形时：,-,24,进口为直角，m=0.32,进口为圆弧，m=0.36,m值可按实验测定，在计算中可查表。（针对倾斜面）,3、说明：,宽顶堰的最大流量系数m0.385，一般情况下：0.32m0.385,当堰的进口形式及值不同时，m值只在上述范围内变化。,-,25,二、宽顶堰的淹没出流。,P131图710所示一宽顶堰的淹没出流，实验证明，宽顶堰为淹没出流时，下游水位高于堰顶的KK线，且0.750.85H0，堰顶波状水跃呈淹没式，收缩断面h2，整个堰顶呈缓流状态。图中Z表示因出口流速降低而引起的动能恢复现象。,淹没出流,自由出流,一般情况下：,-,26,宽顶堰的淹没出流计算公式为：,其中淹没系数。见P132表72,三、侧收缩宽顶堰,当引水渠道宽度大于堰宽时，或水流经过闸坝上的闸墩和边墩时，会使过堰水流发生侧向收缩，减小了有效溢流宽度，增大了水流阻力和水头损失，因而降低了堰的过水能力，考虑到侧向收缩的影响，对于有侧收缩的宽顶堰的自由出流流量公式为：,-,27,若令,收缩堰宽,则,对于侧收缩宽顶堰的淹没出流公式：,其中可查表或按P132式719求得。,-,28,四、宽顶堰的水力计算方法,由上述分析可知，宽顶堰的流量公式一般可写为：,其中：,故,-,29,从上述公式中可看出，Q为隐函数，计算比较困难，可用迭代法求解，并按下式考虑精度要求。,为允许相对误差，一般情况下，0.010.05,若已知H、P、Ph、B（上游渠宽）、b（堰宽)（P131图79），要求计算宽顶堰泄流量Q时，可按下列步骤计算：,-,30,1、计算流量系数m，初判出流形式。,2、初设HH0H01，计算得第一次流量值Q，由此求得：,4、按上述方法假定一系列H01，H02，H03，得Q1，Q2，Q3，,时，再复核出流形式，如与初判一致，则Qn即为所求，否则重新试算。,-,31,若已知Q、B、b、P、P、h时，求堰顶水头H，也可按流量公式试算，即假定H值，代入公式算出流量Q1，若Q1Q时，则假定的H值即为所求，否则就重新算。,例题：如P131图79，已知宽顶堰堰顶水头H0.85m，坎高PP0.5m，下游水深h1.12m，堰宽与上游渠宽相同（Bb,