流体力学7-8堰流

第八节

堰流WeirFlow本章学习要点：堰的形式：薄壁堰、实用堰、宽顶堰。堰流的基本公式。流量系数及其影响因素。1一、堰和堰流的定义1、通俗定义：堰：人们为了蓄水、发电、防洪、灌溉、交通、排水的需要在河道和明渠上修筑的挡水建筑物，例如坝、闸、桥、涵洞、坎等堰流：水流经过这些挡水建筑物的流动2、水力学定义：堰：在缓流中，为控制水位和流量而设置的顶部溢流的障壁。堰流：缓流经堰顶溢流的局部水流现象。堰顶溢流时，由于堰对来流的约束，使堰前水面壅高，然后堰上水面跌落，流过堰顶。23、堰的工程应用：水利工程：溢流堰是主要的泄水建筑物给排水工程：常用的溢流集水设备和量水设备实验室常用的流量量测设备4、说明堰流是一种无压缓流，经过堰溢流后，上游发生壅水，水深增加，堰上水面跌落凡有堰处均伴随收缩，除发生壅水或跌水外，必有收缩，收缩是堰流的最大特点，此时速度增加、水面下降

宽顶堰：水面收缩桥墩间：侧面收缩3二、堰的特征值宽度：B上游渠道宽，上游来流宽度(B=b无侧收缩)

b堰宽，水浸过堰顶的宽度(桥B≠b)厚度：δ堰顶厚度，对堰的影响很大速度：v0行近速度，上游来流速度高度：H堰上水头，上游水位在堰顶上的最大超高

p，p’—堰上、下游坎高

h堰下游水深

4三、堰的分类

堰顶溢流的水流情况，随δ/H比值范围而变化

1、薄壁堰δ/H＜0.67

堰前来流由于受堰壁阻挡，底部水流因惯性作用上弯，当水舌回落到堰顶高程时，距上游壁面约O.67H，堰顶厚δ＜0.67H则堰和过堰水流就只有一条边线接触，堰顶厚度对水流无影响，故称为薄壁堰。薄壁堰主要用作测量流量的设备。Hd0.67H52、实用堰0.67≤

δ/H＜2.5实用堰堰顶厚度大于薄壁堰，δ对水流有一定的影响，但堰上水面仍一次连续降落；其剖面有曲线型和折线型两种，水利工程中的大、中型溢流坝一般都采用曲线型实用堰，小型工程常采用折线型实用堰。

63、宽顶堰2.5≤δ/H＜10宽顶堰堰顶厚度较大，δ/H>2.5，δ对水流有显著影响，在堰坎进口水面发生降落，堰上水流近似于水平流动，至堰坎出口水面再次降落与下游水流衔接。若堰宽增至δ/H＞10，hf不能忽略，流动已不属于堰流。

闸门全开放时的过闸水流、小桥孔过流、无压短涵管过流等，都属于宽顶堰流。

74、其它分类方式根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系：侧收缩堰（b<B）

无侧收缩堰（b=B）按下游水位是否影响堰流性质：自由式堰流（不影响）淹没式堰流（影响）BHb根据堰与水流方向的交角：正堰、斜堰、侧堰按堰口的形状

矩形堰、梯形堰、三角堰89四、宽顶堰溢流

112v0h2PHH0vcchchshs自由出流一、自由式无侧收缩宽顶堰

进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流(急流)，水面在堰尾第二次下降。10自由式无侧收缩的宽顶堰公式流量系数m取决于堰口形式和相对堰高p/H，由经验公式矩形直角进口矩形修圆进口p/H>3.00≤p/H≤3.0m=0.32m=0.36112．淹没的影响

下游水位升高，顶托过堰水流，造成堰上水流性质发生变化。堰上水深由h<hc变为h>hc，水流由急流变为缓流，下游干扰波能向上游传播，形成淹没溢流。必要条件：下游水位高于堰顶hs=h-p'>0充分条件:下游水位影响到堰上水流，急流变为缓流

hs=h-p'>0.8

1-1v0h2-2PHH0vc-chchshs淹没出流自由出流Q淹没系数σs随淹没程度hs/H0的增大而减小，见P187表7-9

123．侧收缩的影响

堰宽小于上游渠道宽b＜B，水流进入堰口后在侧壁发生分离，堰的过流能力降低。非淹没式有侧收缩的宽顶堰溢流量

侧收缩的影响用收缩系数ε

表示，对单孔宽顶堰a为墩形系数，矩形墩a=0.19，圆形墩a=0.10。淹没式有侧收缩的宽顶堰溢流量13五、薄壁堰和实用堰溢流

薄壁堰和实用堰虽然堰型和宽顶堰不同，但堰流的受力性质(重力作用，不计hf)和运动形式(缓流经障壁顶部溢流)相同，因此具有相似的规律性和相同结构的基本公式。

1．薄壁堰溢流矩形薄壁堰自由式溢流

m0计入行进流速水头的影响，采用巴赞公式公式适用范围：b≤2m，p≤1.13m，H≤1.24m出现侧收缩可用修正的巴赞公式14三角形薄壁堰

用矩形堰量测小流量时，堰上水头很小，量测误差增大。为使小流量(Q<100l/s

)仍能保持较大的堰上水头，就要减小堰宽，为此采用直角三角形堰HBH=0.25~0.55mH=0.05~0.25m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。HV0Zch"P1h'0.67HZ152、实用堰溢流0.67</H<2.5主要用途：用作蓄水建筑物——坝净水建筑物的溢流设备分类：折线型、曲线型、复合型实用堰WES剖面堰：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16曲线型实用堰非真空实用堰（Non-VacuumWeir）：

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（VacuumWeir）：

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。

流量加大，坝底处会形成真空，引起坝基振动，故对大型水坝底部要进行消能处理。172、堰的分类1）根据堰顶厚度与水头H的关系：堰薄壁堰（Thin-wallWeir）（/H<0.67）

无沿程水头损失hf。实用堰（OgeeWeir）（0.67</H<2.5）

一次跌落，可忽略hf。宽顶堰（Broad-crestWeir）（2.5</H<10）

二次跌落，可忽略hf。HPV0ZhP'水舌L=(3~5)H181、在所有堰流中，哪种堰流的流量系数最大，哪种堰流的流量系数最小？

实用堰流量系数最大，宽顶堰流量系数最小。

2、堰壁的厚度对堰流有何影响？

堰壁的厚度与堰上水头比值的大小决定了水流溢流的流动图形。3、薄