流体力学讲义 第十章 堰流.docVIP

第十章 堰流 ??? 堰流是明渠缓流由于流动边界急剧变化而引起的明渠急变流现象。本章主要介绍各类堰流的水力特征、基本公式、应用特点及水力计算方法。 概??? 述 一、堰和堰流 ??? 堰：在明渠缓流中设置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，这障壁就称为堰。 ???? ??? 堰流（weir flow）：缓流越过阻水的堰墙溢出流动的局部水流现象称为堰流。????? ?? 选择：堰流特定的局部现象是： A.缓流通过障壁； B.缓流溢过障壁；? C.急流通过障壁；? D.急流溢过障壁。 ?研究堰流的主要目的： ??? 探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系。 ?堰流的基本特征量（图10-1）????? 1.堰顶水头H； ??? ?? 2.堰宽b； ??? ?? 3.上游堰高P、下游堰高P1； ???图10-1 ?? 4.堰顶厚度δ； ??? ?? 5.上、下水位差Z； ?? 6.堰前行近流速υ0。 堰的分类 1.根据堰壁厚度d与水头H的关系，如图10-2： 图10-2 ??? 图10-3 2.根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系，图10-4： ? ? 3.根据堰与水流方向的交角： ? 图10-4 ? 4.按下游水位是否影响堰流性质： ? ? 5.按堰口的形状： ??? 堰可分为矩形堰、梯形堰、三角堰。 三、堰流及孔流的界限 1.堰流：当闸门启出水面，不影响闸坝泄流量时。 ?? 孔流：当闸门未启出水面，以致影响闸坝泄流量时。 2.堰流和孔流的判别式 ? （1）宽顶堰式闸坝 ????? 堰流：? e/H ≥0.65 ????? 孔流：? e/H 0.65 ? （2）实用堰式闸坝（闸门位于堰顶最高点时） ????? 堰流：?e/H ≥0.75 ????? 孔流：? e/H 0.75 ????? 式中：? e——闸门开启高度； ????????? ??? H——堰孔水头。 ? 判断：从能量角度看，堰流和闸孔出流的过程都是一种势能转化为动能的过程。对 第一节? 堰流的基本公式 一、堰流基本公式推导（图10-7） ??? 由大孔口的流量公式（7-6) ??? 及，并考虑上游行近流速的影响，令 图10-6 ??? 得堰流的基本公式： （10-1） ??? 式中:m——堰流流量系数，m=。 二、堰流公式图10-7 ??若考虑到侧收缩影响及淹没影响，则堰流公式为： ?????? （10-2） （10-3） ??? 式中：——淹没系数， ≤1.0； ??????——侧收缩系数， ? ≤1.0 。 ??????m0——计及行近流速的流量系数 第二节? 薄壁堰 ??? 薄壁堰（如图10-8）主要用途：用作量水设备。薄壁堰口的横断面形状不同，相应的流量系数也不同。 图10-8 一、矩形薄壁堰 ???1. 基本公式 ??????? （10-4） ???2.无侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰： ??? 采用巴赞公式计算： ??????? （10-5） ??? 公式适用范围：b=0.2~2.0m，P=0.24~0.75m，H=0.05~1.24m，式中H、P均以m计。 ???????? ??? 初步设计时，取，则：? ??????? （10-6） ? 3. 有侧收缩、自由式、水舌下通风的矩形正堰： ??????? （10-7） 4.矩形薄壁堰的淹没判别条件（图10-9） ??? 1）堰下游水位高出堰顶标高，即zH；——必要条件 ??? 2）在堰下游发生淹没式水跃衔接，即hthc? ——充分条件 ????????? （10-8） ??? 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。 图10-9 二、三角形堰（图10-10） ??? 堰通常用于实验室作小流量测量。当堰为直角三角堰时： ??????? （10-9） ??? 适用条件：。 图10-10 三、梯形薄壁堰 ??? 当 时的自由出流时的梯形薄壁堰公式为： ? （10-10） ??? 说明：当 时，侧收缩梯形堰倾斜部分所增加的流量，正好抵消矩形堰侧收缩影响所减小的流量。即有侧收缩的 的梯形堰作自由出流时的流量等于没有侧收缩的自由出流矩形堰的流量。? ??? 注：以上三类薄壁堰的流量计算公式均是指自由出流。图10-11 问题1：当用矩形薄壁堰来测量流量时，??? ，??? 下，水流最稳定，测量精度最高。 A.有侧收缩? 自由出流；??? B.有侧收缩? 淹没出流； C.无侧收缩? 自由出流；???? D.无侧收缩? 淹没出流。??