19 水力学下 第九讲 堰流与闸孔出流.pptx

第1页：内容提要

第9讲作业

4-124-14-2(题目在网上)第四章堰流与闸孔出流湖北荆江分洪工程

• 淹没出流内容提要

• 闸孔出流

• 自由出流

• 堰流的分类：宽顶堰薄壁堰实用堰

• 薄壁堰溢流流量计算

第2页：一闸孔出流一闸孔出流

一闸孔出流一闸孔出流012H0Hhcoht淹没出流

• 自由出流—出流不受下游水深的影响。

具体讲，下游形成临界或远驱水跃或者一直为急流而不形成水跃。

• 淹没出流—即出流受到下游水深的影响，形成淹没水跃而使出流量Ｑ减小。

012H0Hehcoht自由出流hze

第3页：水跃的位置取决于下游水深

一闸孔出流一闸孔出流*平板闸门下的出流条件平底平板锐缘门恒定自由出流,闸门开度e一定

• 收缩断面位置：下游(0.5-1)e

• 收缩断面水流特征—渐变流，近似静水压强分布。

• 收缩断面水深hco一般小于hc（临界水深），为急流，下游一般为缓流，必然发生急流到缓流的过渡，产生水跃。

• 临界，远驱，淹没水跃。

(水跃的位置取决于下游水深)012H0Hehcoht自由出流

第4页：闸孔出流的下游水位衔接

一闸孔出流一闸孔出流th>h''c01平板闸门下的出流下游水位衔接th''<hc0th''=hc0''c0下游水深小于hc,同时小于h远驱水跃式衔接自由出流临界水跃式衔接自由出流淹没水跃式衔接淹没出流不产生水跃,为自由水流。

hc0ht''c0hc0hth''c0hhc0ht''c0h

第5页：闸孔出流的能量方程

一闸孔出流一闸孔出流恒定总流能量方程c0c0c0v2=h+α2c00c0cH=h+(α)+

• v/(2g)2g(H0−hc0)2平板闸门下的出流流量hc0Hvc0v02jc0h=

• v/(2g)局部损失上游水头2000/(2g)H=H+αv因此200H+αv/(2g)j/(2g)+hvc0=(1αc+

• )φ=1/αc+

• vc0=φ2g(H0−hc0)收缩断面流速流速系数

第6页：流量系数μ:μ=εφ

一闸孔出流一闸孔出流2平板闸门下的出流流量Q=vc0Ac0=hc0bφ2g(H0−hc0)=εφbe2g(H0−hc0)∴Q=μ.be2g(H0−hc0)流量系数μ=f(e/h,闸门形式，闸底板形式）hc0Hvc0v0

• 垂直收缩系数ε约等于

• 6左右

• 流速系数φ:一般

• 9以上

• 流量系数μ:μ=εφ

第7页：一闸孔出流一闸孔出流

一闸孔出流一闸孔出流μ0=μ1−hc0/H0=εφ1−hc0/H03平板闸门下的出流流量系数μ以总水头求流量流量系数流速系数收缩系数Q=μ0be2gH0φ=f(闸孔几何边界条件)ε=f(eh,闸孔几何边界条件)μ=f(ε,φ,闸孔几何边界条件)

第8页：平板闸门出流的流量系数

闸孔出流闸孔出流3平板闸门下的出流流量系数μvc0=φ2g(H0−hc0)Q=μbe2g(H0−hc0)P94图4－7平底平板闸门流速系数φ≈0.95~1.0

第9页：平板闸门流量系数查算

一闸孔出流一闸孔出流3平板闸门下的出流流量系数μP94表4－8Q=μbe2g(H0−hc0)0.600.550.500.450.40相对开度e/H0.6600.6500.6450.6380.63收缩系数ε0.6250.6230.6210.6190.617流量系数μvc0=φ2g(H0−hc0)μ=εφ

第10页：弧形闸门自由出流

Hec一闸孔出流一闸孔出流4平底，弧型闸门，自由出流Q=μ0be2gH0适用条件开度角Rcosα=c−e0180o180oHμ=(0.97−0.81α)−(0.56−0.81α)eHe≤0.75,25。

<α<90

第11页：闸孔的淹没出流

一闸孔出流一闸孔出流5闸孔的淹没出流自由出流淹没出流淹没系数Q=μbe2g(H0−hc0)2gH0Q=σsμ0besH−h"h−h"σ=f(t)012H0Hehcoht淹没出流hz下游水位升高，使得流量减小可查图

第12页：淹没系数的确定

一闸孔出流一闸孔出流淹没系数的确定012H0Hehcoht淹没出流hzZ=H-ht5闸孔的淹没出流

第13页：例4-4 自由出流

例4-4 自由出流：下表列出相关数据。

P98例4-4P98例4-42g(H0Q=μbe−hc0)自由出流e/H=2/8=0.25查表4－8查表4－7H0≈H=8m=8.154mv2Q2H0=H+2g=H+2g(bH)2μ=εφ=0.6030Q=μbe2g(H−εe)=138.8m3/s0Q=μbe2g(H−εe)=140.4m3/s1自由出流,求Q已知b=10m,h=8m,e=2m。

HH0ehcoht012ε=0.622φ=0.97

第14页：例4-4 淹没出流判断

例4-4 淹没出流判断：下表列出相关数据。

P98例4-4P98例4-42淹没出流时ht=5.6m，求QH0Hehcoht012如何判断为淹没出流？

hco<hchco"<ht收缩水深临界水深跃首Fr1共轭水深hco=εe=0.62×2=1.24ch=(q2/g)1/3=2.72m2cor1ghvF2=co=10.5522−1)=5.1r1coco(1+8Fhh"=收缩断面为急流产生淹没水跃如何确定淹没系数？

流量2gH0Q=σsμ0be用自由出流时的流量z

第15页：例4-4 淹没出流计算

例4-4 淹没出流计算：下表列出相关数据。

P98例4-4P98例4-42淹没出流时ht=5.6m，求QH0Hehcoht012z=H−ht=2.4me/H=0.25z/H=2.4/8=0.32gH0Q=σsμ0be2gH0=105.2Q=σsμ0beσs=0.75μ0=εφ1−εe/H0自由出流H0=8.15m新流量H0=8.088m2gH0=104.8Q=σsμ0bez

第16页：实用剖面堰—堰墙稍厚

二堰顶溢流二堰顶溢流定义

水流受到堰墙或者两侧边墙阻碍，使之上游水壅高，至一定高度时，水流沿堰顶溢流下泄，溢流水股的上表面不受外界任何约束，而为一连续自由降落水面。

这种过流称之为堰顶溢流。

根据堰墙厚度与堰上水头的比值不同，可将堰流分成三类：

• 薄壁堰—堰墙很薄

• 实用剖面堰—堰墙稍厚

宽顶堰

第17页：薄壁堰薄壁堰

薄壁堰薄壁堰0PH(3-2)H101P100PH11P1HP1P1001PH001P11实用堰实用堰宽顶堰宽顶堰宽顶堰宽顶堰

第18页：二堰顶溢流二堰顶溢流

二堰顶溢流二堰顶溢流00PH11P1HP1P10010PH(3-2)H101P11.堰流的分类②实用堰溢流：堰墙稍厚③宽顶堰①薄壁堰流：堰墙厚度很薄堰流水股与堰顶几乎线接触,亦即水流沿其前进方向几乎不受堰墙厚度的影响。

H2.5<δ≤10≤0.67δH

第19页：堰流的共同规律

二堰顶溢流二堰顶溢流2堰流的共同规律

• 作用力:重力起主要作用，溢流的自由水面有明显降落。

• 能量损失:能量损失以局部水头损失为主。

• 流态:堰顶溢流时，其堰顶上的水流流线急剧弯曲，属于急变流动。

• 流态的过渡—从缓流向急流过渡。

因此各种堰流在其堰顶都要出现临界水深

第20页：堰流流量计算的基本公式

二堰顶溢流二堰顶溢流3堰流流量计算3堰流流量计算1)出流水股厚度2)压强分布:02gH3/2Q=mbm=kφ1−ξ1120γ1φ=1/(α+

• )+11+

• mv=φ2g[H0−(p1/γ)m]2gv22gαv2p2gαvH=H+00=(1)3)流量Q=kH0bv1=kφb1−

• 2gH3/20h1=kH0=ξH01

第21页：堰流流量系数

3堰流流量计算3堰流流量计算流量m=kφ1−ξ0PH(3-2)H101P1ξ压强分布系数流速系数流量系数考虑淹没考虑侧收缩02gH3/2sQ=σmb02gH3/2sQ=εσmb淹没系数侧收缩系数02gH3/2Q=mb不同情况下如何确定m,σs,ε是本节课的难点k水股收缩系数

第22页：矩形薄壁堰修正的巴赞公式

四薄壁堰溢流四薄壁堰溢流1矩形薄壁堰修正的巴赞公式

• −0.03

• 1+0.55

H+p

• 0027B−b

• HHBm0=

• 405+1）m0为流量系数2gH3/2Q=m0bBazinformula：3薄壁堰不适宜在淹没条件下工作2）侧收缩、趋近流速水头的影响包含在m0中

第23页：三角型薄壁堰流

四薄壁堰溢流四薄壁堰溢流2三角型薄壁堰流452gH5/2m0tgθ2Q=Q=1.4H5/2流量dq=m02gh3/2db单位:Ｈ:m；

Ｑ:m3/sP≥2HB≥(3~4)HQ<0.1m3/s2Q=1.4H5/适用范围:θ=900H≈0.05~0.25mm0=0.396简化

第24页：练习题一

练习题■AsshowninFig.1,averticalsluicegatewithanopeningof0.67mproducesadownstreamjetdepthof0.40mwheninstalledalongrectangularchannel5.0mwideconveyingasteadydischargeof20.0m3/s.Assumingthattheflowdownstreamofthegateeventuallyreturnstotheuniformflowdepthof2.5my2y1yt122g211αv222αv2gehL

第25页：练习题二

练习题练习题

• 1Verifythatahydraulicjumpoccurs

• 2Calculatetheheadlossinthejump

• 3Iftheheadlossthroughthegateis0.05VJ2/2g,calculatethedepthupstreamofthegateandtheforceonthegate

• 4Ifthedownstreamdepthisincreasedto3.0m,asshowninFig.2,analyzetheflowconditionsofthegate(y1=?

)y1y2yt123yG

第26页：练习题三

练习题练习题y1y2yt123yG1Verifythatahydraulicjumpoccurs22=0.323Q2gy"(by")(9.8y")v"(Fr")==known跃后水深求出跃前水深y2(0.4m)y'(0.443)>2ttb=5m,Q=20m3/s,h=2.5m,(h=3.0m)e=0.67m,y=0.4m,y"=ht=2.5m2r(1+8(F")−1)=0.443y"2y'=将发生水跃

第27页：练习题四

练习题练习题)−(y''+)=1.972g2gv'2v''2ΔE=(y'+

• 2Calculatetheheadlossinthejump3Iftheheadlossthroughthegateis0.05VJ2/2g,calculatethedepthupstreamofthegateandtheforceonthegatey1y2yt123yG由能量方程由动量方程2g2g2gv2v2v2y1+1=y2+2+0.05×2=5.7521得出y＝5.73m1122ρg2y1−ρg2y2−Fx=ρg(v2−v1)Fx=123kN/mFx

第28页：练习题五

英文练习题

• 4Ifthedownstreamdepthisincreasedto3.0m,asshowninFig.2,analyzetheflowconditionsofthegate(yG，y1=?

)1222122tGgQ(v−v)gy=ρρg1y−ρ2g2g2gv2v2v2y1+1=yG+2+0.05×2由能量方程(1~2断面），求y1Gy=1.39my1=6.74m测验题提示：先判定水跃形式；

然后列2～3断面动量方程求yG;

最后列1~2断面能量方程y1y"=3.0m→y'=0.327m<y2(0.4m)由动量方程(2~3断面），求yG淹没水跃y1y2yt123GFxyyG

第29页：小结 闸孔出流

小结小结1闸孔出流淹没出流自由出流0Q=μ0be2gH2gH0Q=σsμ0bee/H相对开度ε收缩系数μ流量系数

• 400.630.6170.450.6380.6190.500.6450.6210.550.6500.6230.600.6600.625流量系数的确定012H0Hhcoht淹没出流hze淹没系数的确定z=H−hte/Hz/H

第30页：小结 堰顶溢流

小结小结2堰顶溢流分类薄壁堰δ/H≤0.670.67<δ/H≤2.5实用堰宽顶堰3流量02gH3/2Q=mb2.5<δ/H≤10m=kφ1−ξ1)出流水股厚度2)压强分布:h1=kH04矩形薄壁堰修正的巴赞公式

• −0.030.0027

• 1+0.55

H+p

• BB−b

• HHm0=

• 405+(p1/γ)m=ξH02gH3/2Q=m0b5三角型薄壁堰流Q=1.4H5/2