孔口出流、堰顶溢流和闸下出流ppt课件

1、 WHU WHUChapter 8 目录目录 8-1 8-1 概述概述8-2 8-2 孔口出流孔口出流8-3 8-3 管嘴出流管嘴出流8-4 8-4 堰顶溢流堰顶溢流8-5 8-5 闸孔出流闸孔出流 WHU8-1 8-1 概述概述 孔口管嘴出流、堰顶溢流和闸孔孔口管嘴出流、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，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形体对过流能力的影响，及其常用的

2、水力计算方法。方法。 WHU1 1、孔口出流、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/d10小孔口 H/d10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 WHU2 2、管嘴出流、管嘴出流 在孔口接一段长l=(34)d的短管，液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。 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。 WHU3 3、堰顶溢流、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 0.67 实用堰0.67 2.5宽顶堰 2.5 10 HHH WHU4 4、闸孔

3、出流、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。 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。 WHU8-2 孔口出流孔口出流1 1、薄壁小孔口恒定出流、薄壁小孔口恒定出流 薄壁：出孔水流与孔壁仅在周线上接薄壁：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。触，即孔壁厚度对出孔水股没有影响。 小孔口：小孔口：H/d10H/d101) 1)小孔口的自由出流小孔口的自由出流 pc=pa=0 pc=pa=0 薄壁小孔口自由出流的基本公式薄壁小孔口自由出流的基本公式 gvhhjw2220gvgvHcc2)(22020000

4、0221gHgHvcc0022gHAgHAAvQcc WHU薄壁小孔口出流的各项系数薄壁小孔口出流的各项系数 流速系数流速系数 实验测得孔口流速系数实验测得孔口流速系数 = 0.970.98。 孔口的局部阻力系数孔口的局部阻力系数 0 ,孔口的收缩系数孔口的收缩系数孔口的流量系数孔口的流量系数 ，= 。 对薄壁小孔口对薄壁小孔口= 0.600.62。 00111c06. 097. 0111220AAc/ WHU2 2淹没出流淹没出流当出孔水流淹没在下游水面之下。当出孔水流淹没在下游水面之下。孔口淹没出流的流速和流量孔口淹没出流的流速和流量均与孔口的淹没深度无关，均与孔口的淹没深度无关，也无也无

5、“大大”、“小小孔口的区别。孔口的区别。 0022gHAgHAAvQcc gvgvHH222222110 WHU3 3小孔口的收缩系数及流量系数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，薄壁孔口的收收缩系数会有影响，薄壁孔口的收缩系数缩系数最小，圆边孔口收缩系数最小，圆边孔口收缩系数较大，甚至等于较大，甚至等于1 1。孔口在壁面上。孔口在壁面上的位置，对收缩系数的位置，对收缩系数有直接影响有直接影响 ，不完善收缩孔口的，不完善收缩孔口的流量系数流量系数ncnc大于完善收缩

6、的流量系数大于完善收缩的流量系数。 薄壁小孔口各项系数薄壁小孔口各项系数 收缩系数 阻力系数 流速系数 流量系数 0.64 0.06 0.97 0.62 WHU2 2、孔口非恒定出流、孔口非恒定出流如容器水面随时间变化，孔口的流量如容器水面随时间变化，孔口的流量也会随时间变化，称为变水头出流或也会随时间变化，称为变水头出流或非恒定流。非恒定流。 dtghAQdt2dhQdtdhdtghA2hdhgAdt2hdhgAtHH221 WHU当容器为柱体，当容器为柱体，=常数，则有：常数，则有：当当H1=HH1=H，H2=0H2=0，即得容器，即得容器“泄空泄空”(”(水面降水面降至孔口处至孔口处)

7、)所需时间所需时间 变水头出流时容器变水头出流时容器“泄空泄空所需要的时间，等于所需要的时间，等于在起始水头在起始水头H H作用下恒定出流流出同体积水所作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。需时间的二倍。 2122HHgAtmax22222QVgHAHgAHt WHU8-3 管嘴出流管嘴出流1 1、圆柱形外管嘴恒定出流、圆柱形外管嘴恒定出流 whgvgvH222200gvhn2200221gHgHvnn02gHAQn WHU管嘴的流量系数管嘴的流量系数管嘴阻力系数管嘴阻力系数 n= 0.5 n= 0.5 管嘴流速系数管嘴流速系数 管嘴流量系数，因出口无收缩管嘴流量系数，因出口无收缩n=n=

8、 0.82 n=n= 0.82 显然显然n= 1.32n= 1.32。可见在相同条件，管嘴的过。可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的流能力是孔口的1.321.32倍。倍。 82.05.0111nn WHU2 2圆柱形外管嘴的真空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。增加，这是由于收缩断面处真空的作用。对圆柱形外管嘴：对圆柱形外管嘴：=1=1， =0.64 =0.64， =0.82 =0.82 jcchgvgvp2222vvAAvcc1gvgvvpsec22292222022211Hpc075

9、.0Hpc WHU圆柱形外管嘴的正常工作条件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，当真空度达江中下游地区，当真空度达7 7米水柱以上米水柱以上时，由于液体在低于饱和蒸汽压时会发时，由于液体在低于饱和蒸汽压时会发生汽化生汽化 。圆柱形外管嘴的正常工作条件是：圆柱形外管嘴的正常工作条件是：(1)(1)作用水头作用水头H09H09米；米； (2) (2)管嘴长度管嘴长度l=(3l=(34)d4)d。 WHU3 3其他形式管嘴其他形式管嘴 工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加( (减减少少) )出口

10、的速度，常采用不同的管咀形式出口的速度，常采用不同的管咀形式 (1)(1)圆锥形扩张管嘴圆锥形扩张管嘴 （=5=57 7 ）(2)(2)圆锥形收敛管嘴圆锥形收敛管嘴 （较大的出口流速（较大的出口流速 ）(3)(3)流线形管嘴流线形管嘴 （阻力系数最小（阻力系数最小 ） WHU孔口、管嘴的水力特性孔口、管嘴的水力特性 WHU8-4 堰顶溢流堰顶溢流 无压缓流经障壁溢流时，无压缓流经障壁溢流时，上游发生壅水，然后水面降落，上游发生壅水，然后水面降落，这一局部水流现象称为堰流。这一局部水流现象称为堰流。障壁称为堰。堰对水流的作用：障壁称为堰。堰对水流的作用： 侧向约束；侧向约束； 底部约束。底部约束

11、。 WHU1 1、堰流的基本公式、堰流的基本公式 用能量方程式来推求用能量方程式来推求堰流计算的基本公式堰流计算的基本公式 令令 ，流速系数，流速系数 gvpzgvH2)()(22112000Hpz)(210011HHgv1101)1 (2Hgv WHU令令 称为堰流基本公式。称为堰流基本公式。为了方便，可将公式改写成如下形式为了方便，可将公式改写成如下形式 式中式中堰流基本公式适用于各种形式的堰流，只是流量系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。数不同而已。1km2/3000101021)(21HgbkHHgbkHbvkHQ2/302 HgmbQ 2/302 bHgmQ 2

12、/32000)2/1 (gHvmm WHU2. 矩形薄壁堰流矩形薄壁堰流 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，不进水槽一样宽，这样，水流通过堰口时，不会产生侧向收缩。会产生侧向收缩。 1) 1)具有溢流水舌有稳定的外形；具有溢流水舌有稳定的外形；( (堰顶必须做成堰顶必须做成向下游倾斜的锐角薄壁向下游倾斜的锐角薄壁 ) )2)2)稳定的流速分布和压强分布；稳定的流速分布和压强分布；( (堰板下游侧墙堰板下游侧墙内埋设通气孔，使水舌内外缘空气压强相等内埋设通气孔，使水舌内外缘空气压强相等 ) )3)3)稳定的水头和流

13、量关系。稳定的水头和流量关系。( (堰顶水头堰顶水头H3cm)H3cm) WHU(1)(1)矩形薄壁堰无侧向收缩自由溢流的矩形薄壁堰无侧向收缩自由溢流的水舌形状水舌形状 在距堰壁上游在距堰壁上游3H3H处，水面降落处，水面降落0.003H0.003H，在堰顶上，水舌上缘降落了在堰顶上，水舌上缘降落了0.15H0.15H。由于水流质点沿上游堰壁越过堰顶时的由于水流质点沿上游堰壁越过堰顶时的惯性，水舌下缘在离堰壁惯性，水舌下缘在离堰壁0.27H0.27H处升得处升得最高，高出堰顶最高，高出堰顶0.112H0.112H，此处水舌的垂，此处水舌的垂直厚度为直厚度为0.668H0.668H。距堰壁距堰壁

14、0.67H0.67H处，水舌下缘与堰顶同高处，水舌下缘与堰顶同高. .这点表明，只要堰壁厚度这点表明，只要堰壁厚度0.67H0.67H，堰壁就不会影响水舌的形状。堰壁就不会影响水舌的形状。 WHU 只要堰壁厚度只要堰壁厚度0.67H0.67H，堰，堰壁就不会影响水舌的形状。因此，壁就不会影响水舌的形状。因此，把把0.67H0.67H的堰，称为薄壁堰。的堰，称为薄壁堰。矩形薄壁锐缘堰自由溢流水舌几何矩形薄壁锐缘堰自由溢流水舌几何形状的观测成果，为后来设计曲线形状的观测成果，为后来设计曲线形剖面堰提供了依据。形剖面堰提供了依据。 WHU(2)(2)矩形薄壁堰溢流的计算矩形薄壁堰溢流的计算 流量公式

15、流量公式 流量系数采用巴赞公式流量系数采用巴赞公式(1898)(1898)适用范围适用范围 ： H1.24m H1.24m，b2mb2m，P1.13m P1.13m 3 202mgbH2055. 01003. 0405. 0PHHHm WHU有侧向收缩影响的流量系数有侧向收缩影响的流量系数 薄壁堰在形成淹没溢流时，下游水面波动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。用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。 222000)(55. 01/1003. 00027. 0405. 0PHHBbBbHm

16、WHU3、三角形薄壁堰、三角形薄壁堰 在在H H0.05m0.05m，流量小于，流量小于100l /s100l /s时，宜采用三角时，宜采用三角形薄壁堰作为量水堰形薄壁堰作为量水堰 2/302hdbgmdQxtan2xbHh2/502tan254HgmQ WHU根据汤姆逊根据汤姆逊(P.W.Thomson)(P.W.Thomson)的实验，在的实验，在H=0.05H=0.050.25m0.25m时，时，m0=0.395m0=0.395。因此。因此=90=90的三的三角形薄壁堰的流量公式为角形薄壁堰的流量公式为 金金(H. W. King)(H. W. King)根据实验提出，在根据实验提出，在

17、H=0.06H=0.060.55m0.55m条件下，流量公式为条件下，流量公式为两式中单位，两式中单位，H H 用用mm，Q Q 用用 m3/s m3/s。 2/54.1HQ 47. 2343. 1HQ WHU4. 实用堰流实用堰流 实用堰主要用作蓄水挡水建筑物实用堰主要用作蓄水挡水建筑物坝坝 。其剖面。其剖面可设计成曲线或折线两类可设计成曲线或折线两类( (如图）。如图）。 WHU曲线实用堰的纵剖面外形轮廓，基本上按矩形薄壁堰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。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。曲线形实用堰又分为非真空

18、堰和真空堰两大类。实用堰的流量公式采用堰流的基本公式进行计算，如实用堰的流量公式采用堰流的基本公式进行计算，如自由溢流自由溢流 淹没溢流淹没溢流由于实用堰堰面对水舌有影响，所以堰壁的形状及其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，真空堰定。在初步估算中，真空堰m0.50m0.50，非真空堰，非真空堰m0.45m0.45，折线形实用堰，折线形实用堰mm在在0.350.35至至0.420.42之间。之间。 2/302HgbmQ2/302 HgbmQ WHU曲线形实用堰曲线形实用堰曲线形剖

19、面堰轮廓由曲线形剖面堰轮廓由4 4段组成：上游堰面段组成：上游堰面ABAB，可垂直或，可垂直或倾斜；堰顶溢流段倾斜；堰顶溢流段BOCBOC，OO为堰顶最高处；下游堰为堰顶最高处；下游堰面直线段面直线段CDCD，在，在C C点与点与OCOC曲线相切；堰面与下游河曲线相切；堰面与下游河床相切的反弧段床相切的反弧段DEDE。曲线形剖面堰的各种不断完善的剖面形式，正是针对曲线形剖面堰的各种不断完善的剖面形式，正是针对BOCBOC曲线段提出来的。曲线段提出来的。 WHUWES 剖面堰剖面堰我国从上世纪我国从上世纪60-70年代开始采用年代开始采用WES 剖面堰。剖面堰。堰顶水头堰顶水头: Hd=Hw-0

20、.112Hw=0.888Hw式中式中Hw为薄壁堰堰顶水头。为薄壁堰堰顶水头。OB段由三段圆弧组成：段由三段圆弧组成：R1=0.5Hd, c1=0.175Hd , a1=0.0316HdR2=0.2Hd, c2=0.276Hd , a2=0.1153HdR3=0.04Hd , c3=0.2815Hd , a3=0.136HdOC段用经验方程表示：段用经验方程表示：ddHyHx285.1 WHUWES 剖面堰的流量系数剖面堰的流量系数堰顶曲线是依据堰顶曲线是依据Hd决定的，当决定的，当H=Hd , md=0.502; 当实际工作水头当实际工作水头H大于或小于大于或小于Hd ，流量系数，流量系数m也

21、将有所也将有所变化。变化。 WHU侧收缩系数侧收缩系数控制水位和流量，堰顶常设有多孔闸门和闸墩，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。造成过堰水流的侧向收缩。可用可用“有效宽度有效宽度Bc代替实际堰宽代替实际堰宽B,2/302 BHgmQcbnBBkc) 1( 2 . 00)1(2.010nnkc WHU5. 宽顶堰流宽顶堰流 宽顶堰流分自由式和淹没式两类。宽顶堰上的水流主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要特点：自由式宽顶堰流在进口不远处形成一收缩水深水深h1(h1(即水面第一次降落即水面第一次降落) )，此

22、收缩水深，此收缩水深h1h1小于堰小于堰顶断面的临界水深顶断面的临界水深hkhk，形成流线近似平行于堰顶的，形成流线近似平行于堰顶的渐变流，最后在出口渐变流，最后在出口( (堰尾堰尾) )水面再次下降水面再次下降( (水面第二水面第二次降落次降落) )， WHU1)自由式无侧收缩宽顶堰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自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算可采用堰流基本公式流量系数流量系数mm与堰的进口形式以及堰的相对高度与堰的进口形式以及堰的相对高度p/Hp/H等有关等有关直角进口：直角进口：当当0P/H3 0P/H3 当当P/HP/H3, m=0.32 3, m

23、=0.32 圆角进口圆角进口(r/H0.2 )(r/H0.2 )当当0P/H3 0P/H3 当当P/HP/H3 3， m= 0.36 m= 0.36 可证明，宽顶堰的流量系数最大不超过可证明，宽顶堰的流量系数最大不超过0.3850.385，因此，因此，mm的变化范围，应在的变化范围，应在0.320.320.3850.385之间。之间。 2/302 HgmbQ HPHPm/75. 046. 0/301. 032. 0HPHPm/5.12.1/301.036.0 WHU2)淹没式无侧收缩宽顶堰淹没式无侧收缩宽顶堰 宽顶堰的淹没判别宽顶堰的淹没判别 ：进口平顺：进口平顺：hs /H00.75; hs /H00.75; 进口不平顺：进口不平顺： hs /H00.85 hs /H00.85淹没式无侧收缩宽顶堰的流量淹没式无侧收缩宽顶堰的流量 2/302 HgmbQ0H 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89 1.00 0.