薄壁堰流的水力计算.ppt

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1、第八章堰流及闸孔出流8.1概述在容器壁上开孔,液体经过孔口泄流的水力现象,称为孔口出流。若孔口上加设短管，而且壁厚或短管长度是孔口尺寸的3~4倍，这段短管称为管嘴。经过管嘴的泄流，称为管嘴出流。水利工程中为了泄水或引水，常修建水闸或溢流坝等建筑物，以控制河流或渠道的水位及流量。水流受闸门控制而从建筑物顶部与闸门下缘间孔口流出时，这种水流状态叫做闸孔出流。当顶部闸门完全开启，闸门下缘脱离水面，闸门对水流不起控制作用时，水流从建筑物顶部自由下泄，这种水流状态称为堰流。堰坎外形及厚度不同其能量损失及过水能力也

2、会不同。工程上通常按照堰坎厚度δ与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作：1．薄壁堰流：即。2．实用堰：即。3．宽顶堰流：即。堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。堰流与闸孔出流也存在着许多共同点。首先，堰流和闸孔出流都是因水闸或溢流坝等建筑物壅高了上游水位，在重力作用下形成的水流运动。其次，这两种水流都是在较短的距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的压强分布及建筑物的过水能力均有一定影响。其出流过程的能量损失主要是局部损失。闸孔出流和堰流是可以相互转化的。随着闸门的开度逐渐加大，过闸水流受

3、到闸门的约束越来越小，当闸门开度增大到一定值时，闸前水面下降并脱离闸门底缘，水流不再受闸门约束，此时水流由闸孔出流转化为堰流。相反闸门开度减少到一定值的时候，堰流也转化为闸孔出流。闸底坎平顶堰时为闸孔出流；为堰流；闸底坎为曲线型堰流时为闸孔出流；为堰流；式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。8-2孔口与管嘴出流在容器侧壁上开孔，液体将从孔中流出，这种水流现象称为孔口出流。一、恒定流孔口出流当容器中水面保持恒定不变，通过孔口的水流则为恒定流。根据孔口的直径与孔口水头的比值将孔口分为小孔口和大孔口。

4、对小孔口，由于孔直径比水头小的多，可以近似认为孔口断面各点的压强和速度都相等。过水断面的收缩：流水流经过孔口时，由于惯性的作用，水流不能在孔口附近作直角转变，只能逐渐的弯曲，过水断面逐渐收缩，并在距壁约d/2出完成。此时的断面流线近似平行，符合渐变流条件，该断面称收缩断面。即c-c断面，收缩断面的面积与小孔的面积的比为收缩系数：，的大小反映了水流的收缩程度。完全收缩和完善收缩的概念。收缩系数与孔口形状、大小、位置及水头有关系。完全收缩和完善收缩（充分收缩）的概念。完全收缩：孔口四周都发生的收缩的叫完全收

5、缩。部分周边收缩就是不完全收缩。完善收缩：当孔口边缘离液面、底面或容器壁面的距离都不小与孔口对应边长的三倍时，流线收缩完全，称为充分收缩或完善收缩。否则，就是不完善收缩。下面讨论恒定孔口自由出流的公式：（一）、恒定孔口自由出流对断面1-1：对c-c断面列能量方程得令，H：孔口水头。H0孔口全水头。：行近流速水头。则式中为流速系数。流量为式中为孔口的收缩系数。为孔口出流的流量系数。根据实验，小孔口的，，。不同边界形式的孔口的流速系数、收缩系数或流量系数可参考有关手册。（二）恒定孔口淹没出流如果孔口在下游水

6、面以下，则为孔口淹没出流，可以写能量方程。其中:局部水头损失可以看成是断面突然扩大的水流的能量损失损失系数为:所以带入所以流量公式为:(b)淹没出流中的流量系数,一般与自由出流的流量系数相同。例：有一直径d=20cm的圆形锐缘孔口，其中心在水下的深度为3.0m。孔前行进流速为0.8m/s，孔口处为完善收缩的自由出流，求流量。解：二、恒定管嘴出流的计算（一）自由出流：若在孔口上连接一段长为（3～4）d的短管（d为孔径）液体经短管而流出的现象。1-1断面与收缩断面c-c断面能量方程同样令则其中则通过管嘴的流

7、量在孔口面积相同的情况下，通过管嘴的流量比孔口要大。管嘴的有效水头多了一项，此项恰为收缩断面上的真空值。假设则：一般取值为0.82，是圆孔流量系数的1.32倍。（一）淹没出流：淹没出流流量公式为：为作用水头，为淹没出流的流量系数。例：有一圆形孔口，直径d=20mm。在作用水头H=2m条件下恒定自由出流，求：孔口出流流量，在孔口处外接同直径的管嘴后的流量；管嘴收缩断面处的真空高度解（1）求孔口出流的流量孔口流量系数取0.62，作用水头为2m则：（2）管嘴出流流量取管嘴出流的流量系数为0.82，则（3）管嘴

8、处收缩断面真空高度8-3闸孔出流的水力计算实际工程中的水闸，闸底坎一般为宽顶堰或曲线型实用堰，闸门型式主要有平板闸门及弧形闸门。水力计算的任务：在一定闸前水头下计算不同闸孔开度时的泄流量；或根据已知的泄流量求所需的闸孔宽度b。一、底坎为宽顶堰的闸孔出流闸孔出流受水跃位置的影响可分为自由出流及淹没出流二种。如图(a)(b)(c)设收缩水深hc的跃后水深为。若<，则水跃发生在收缩断面处或收缩断面下游这种时候的水跃是远驱式水跃若=。则水跃发生在收