24 水力学下 第十四讲 泄洪消能3.pptx

第1页：内容提要

第14讲第十五章泄洪消能作业

15－7内容提要

• 面流消能介绍

• 挑流消能

• 全章总结

• 消力池计算习题分析

第2页：二 面流消能

二面流消能二面流消能a.底流b.面流c.混合流链接m1链接m2链接m3下游水深超过ht1时，转变为面流下游水深超过ht2时，转变为混合流1水平面流消能形态ahtahtaht

第3页：水平面流消能形态

2水平面流消能形态2水平面流消能形态d.淹没混合流aht面流消能e.淹没面流ahtf.回复底流aht下游水深超过ht3时，转变为淹没混合流下游水深超过ht4时，转变为淹没面流下游水深超过ht5时，流态为恢复底流

第4页：消力戽

二面流消能二面流消能2消力戽链接m3底滚消能戽面滚涌浪

第5页：消力戽流态

• 消力戽流态

• 消力戽流态ht<

hb1面流消能hb1hb1<

ht<

hb2下游水深增加到hb1时，形成戽内旋滚，戽后形成涌浪下游水深再增加时，戽内和底部旋滚增大，形成稳定戽流a.挑流b.临界戽流c.稳定戽流

第6页：消力戽流态转变

下游水深增加到hb2时，涌浪后表面旋滚消失，形成淹没戽流3消力戽流态3消力戽流态ht>

hb2d.淹没戽流面流消能ht>

hb3e.回复底流下游水深增加到hb3时，底部旋滚消失，戽内外形成一个大旋滚，称为恢复底流

第7页：三挑流型衔接消能

三挑流型衔接消能zsHL1L0viβLBL2vvvvvv21)12g2v222211111212g2g2g2g−−=(1φ22gφ22g=ζ+−=ζ2g1(v2−1)1φ2坐标系原点取在出流水股的中心线上上游水面至跌砍顶高差为shixytsv1θhtdsah1

第8页：挑坎上高速水流动力荷载的确定

三挑流型衔接消能链接T21水力设计问题zhtHsLBL1L0L2a(v2−1)12g1φ2v1hi1）确定下游河床冲刷坑的位置、深度和范围大小；

2）确定挑流射程；

3）挑坎上高速水流动力荷载的确定

第9页：挑流射程基本假定

2挑流射程基本假定2挑流射程基本假定

• 简单常用的连续式挑鼻坎；

整个射流前沿上挑坎剖面具有同一半径R和仰角；

• 离坎射出断面流速分布均匀，流向一致；

• 忽略在空中掺气扩散和阻力；

• 按计算自由抛射体轨迹的方法估算射程。

链接T1zhtHsLB1L0LL2a2g(v21−1)1φ2v1hi挑流消能

第10页：挑流射程计算求出

• 挑流射程计算求出t，带入(1)式，得到x

• (2)2(1)11

• 1y=gt2−(vsinθ)t

• x=(vcosθ)t

• θ221vsin2gygv2sinθcosθx=1

• 1+1+zhtHsLBL1L0L2a(v2−1)12g1φ2v1hi取射出断面中点为坐标原点挑流消能

第11页：挑流射程计算

3挑流射程计算3挑流射程计算

• 12v2sgy⎤⎥in2

• ⎦gv2sinθcosθx=1

• 1+1+zhtHsLBL1L0L2a2g(v2−1)11φ2v1hi水股跌落至下游水面处1y=z−s+hcosθ/2

• 2211+1

• vsinθ2g(z−s+hcosθ/2)

• gv2sinθcosθL1=1

• 1+h1cosθ/2yxszy水股跌落至下游河床处y=?

挑流消能

第12页：挑流射程计算与影响因素

• 挑流射程计算影响挑流射程的因素：

• 挑坎形式、坎高a、挑角θ、反弧半径R

• 挑流射程的计算是在一定假设前提下计算的，而这些假定与实际的差异直接影响着射程的计算结果。

zhtHsLBL1L0L2a2g(v21−1)1φ2v1hi挑流消能

第13页：冲刷坑的估算

4冲刷坑的估算4冲刷坑的估算zhtHsL1L0LBL2a2g(v21−1)1φ2v1hi挑流消能

• 估算，计算结果只供参考

• 冲坑的大小包括深度ds和长度、宽度，若为二维问题就是深度和长度

• 对于一定河床地质条件，冲坑上下游边坡范围：上游1:2—1:6，下游1:1—1:3

• 若已知冲坑深度ds冲坑长度即可知

第14页：冲刷坑受力机理

4冲刷坑的估算受力机理GPFτFτub冲坑水深τswt=K(qmHn)/kkτq抗冲系数单宽流量HKw坎顶总水头综合影响参数对于均匀散粒体床料m=3/4,n=1/8kτ=D1/4,Kw=kβφ1/4σ1/91/9D1/4aσφ1/4q3/4H1/8ts=kβ冲坑水深也适用于岩石河床，此时抗冲系数kτ需根据岩石性质确定，见表15－4tssd挑流消能

第15页：冲刷坑的估算

4冲刷坑的估算a1/9D1/4σsβt=kφ1/4q3/4H1/8冲坑水深φa→空中能量损失的流速系数，估计值φa＝0.95σ→射流入水断面分散度连续式平滑鼻坎σ＝2～5kβ→入水倾角的影响系数D→床料平均粒径kβ由表13－5确定tsds挑流消能

第16页：入水角与挑距的确定

zhtHsLBL1L0L2a(v2−1)12g1φ2v1hi入水角的确定2g2gv2v21=i+s−z2gscosθvix=v1x=v1cosθ=φivcosβ=vixvi=2g(φs+z−s)2假设水平流速不变入水角度=φ2gscosθ2g(φ2s+z−s)cosθφ2sφ2s+z−s=β挑流消能2gs代入得将v1=φ

• 列砍顶断面与入水断面的能量方程

第17页：入水角系数值

入水角系数值P179表15－3射流冲刷的入水倾角系数值入水倾角β系数kβ2003000.951.284005006001.351.431.50a1/9D1/4σφ1/4q3/4H1/8kβts=ds=ts−Δz−ht冲刷深度Δz冲坑处水深与下游水深的差值，可以忽略挑流消能

第18页：全章总结 消能形式

全章总结全章总结消能形式－底流面流挑流出流断面水力要素水跃与消能挖深式消能池计算墙式消能池计算面流与挑流消能简介hc0T0T0′2g20αvLB2g2αv′0Tshtv′ht′vcohΔzΔ

• 12gαv′2h’tCH1H10ht2302gαv2T000

第19页：全章总结 收缩断面水深

全章总结全章总结1消能形式

底流、面流、挑流2收缩断面水深的计算22coq22gφh+T0=hcoT0c0hT03底流消能与水跃形式的判断临界淹没远驱，远驱水跃需设消能池cocococoh′′′h=h()→′1+8q/(gh)−12132

第20页：全章总结 挖深式消能池

全章总结全章总结4挖深式消能池的池深计算公式22''cocoq2′+T0=T0+s=h2gφh

• 1+2"'coco

• cotgh'38q2σh'h=σh=qtt=A2'2gh'2f(s)=h−s+T0′202gαvLB2gαv′20Tshtvv′ht′hcoΔz5挖深式消能池的设计s0coT'h'th'f(s)迭代结束f(s)'22tq22gφhA=f(s)=AssA

第21页：全章总结 简化计算

全章总结全章总结h'=h+Δz+stt简化思路略去挖深式消能池简化计算条件:当q<

25m2/s,T0’<

35m求s可简化为当v<3m/s当v≥3m/scoh"为原来河床情况下算出的数值tcos=1.05h"−hs=h"−hcotT0′202gαvLB2gαv′2T0shtv′ht′vcohΔz适用于中小型工程22coq22gφh+T0=hcocococohco′h=′(1+8q/(gh)−1)→h1223Δz

第22页：全章总结 墙式消能池

全章总结全章总结1求收缩断面水深hco2求跃后水深h’t—水跃判断cocoqT=h+→h2220co2gφh2cococo=h[1+8Fr−1]/2h"H=H−v'2/(2g)11010H=(q/(m2g))2/3墙式消能池计算Δ

• 1H10αv′22gh’tCH1ht23202gαvT000要求墙前水深tco>h→产生远驱水跃→修消能墙h"按无淹没堰流考虑墙前水头tv′=q/h'3求墙高c=h’t–H1"'coth=σh

第23页：全章总结 淹没堰流判别

全章总结全章总结

• 检验是否为淹没堰流5若为淹没堰流，重新设计墙高hs=ht−c−c≥0.45淹没H10H10hs=htH1H10hshs/H10qq≠q0q=q0(已知)结束迭代σs墙式消能池计算Δ

• 1H10αv′22gh’tCH1ht23202gαvT000H10hs1101+q2/(2gh′2)0tH=H+v′2/(2g)=Hhs=ht−cP162表15-2sσ02gH3/2sq=mσ已知th'cH=h'−c1t

第24页：作业15-6 已知条件

作业

15-6作业：15-6已知:T0=12.2m,ht=5mhthcolBCT01bb2q1q2b1=4.1m,b2=10mq1=28m2/s,q2=11.5m2/s1]：求hco,hc′′o;

22coq22gφh+2T0=hco32

• 2cococo

• 1+8q/(gh)−1/2h′=h

• φ=0.95coh=0.81mcoh′=5.38m2]判断水跃形式hc′′o(5.38m)>ht(5m)产生远驱水跃

第25页：作业15-6 试算法

作业

15-6作业：15-6已知:T0=12.2m,ht=5mhtcohlBCT0b1b21q2q3]求挖深式池深s和池长lb1)试算法φ'=0.95co′22q2T′=T+s=h′+2→h′00coco2gφhtcotcoh′

• ′/(gh)−11+8q2322h′=σh′=σ1h′

• '2t2ghtq2f(s)=h'−s+2＝A'22ttq2A=h+2=5.302gφhs0coT'h'th'f(s)s=0.65mf(s)=A收敛

第26页：作业15-6 简化算法

作业

15-6作业：15-6已知:T0=12.2m,ht=5m1bb2q23]求挖深式池深s和池长lb1)简化算法属于中小工程q1q2=11.5m2/s<

25m2/sT=12.2m<

35m下游河道流速S=1.05hc′′o−ht=0.65mcoco→h22vt=q2/ht=11.5/5=2.3m/s<3m/sq21T0=hco+2gφhcoco322co′

• 1+8q/(gh)−1/2→h=5.38mh′=

• 原河床为基准跃后水深消力池深度hthcolBCT0

第27页：作业15-6 消能池长度

作业

15-6作业：15-6hthcolBCT0已知:T0=12.2m,ht=5mb12bq1q2求挖深式消能池长度lb=0.75ljcoh′=5.38m=5.23>4.5ghcoFrco=vco/lj=6.1hc′′olb=0.75lj=4.5.hc′′o=4.5×5.47≈25m消能池长度跃首佛劳得数消能池长度水跃长度跃前水深跃后水深hco=0.81m

第28页：作业15-6 求墙高

作业

15-6作业：15-6hthcolBCT0已知:T0=12.2m,ht=5mb12b1q2q4]消能墙求墙高折线型实用堰→m=0.42coco22q22=0.81m+→hT0=hco2gφhcoco322co′

)−1

• /2→h=5.38m1+8q/(ghh′=

• 以原河床为基准列能量方程跃后水深墙上非淹没过流1022gH3/2q=mH10＝3.37mht′=σhc′′o=1.05×5.38=5.65mH=H−q2/(2gh′2)=3.37−0.21=3.16m1102tc0=ht′−H1=5.65−3.16=2.49m要求墙前水深墙高初值

第29页：作业15-6 墙高计算（续

hthcolBCT0作业

15-6已知:T0=12.2m,ht=5m2b1b1q2q4]消能墙求墙高

• 37=5−2.49=0.75>0.45hs=ht−c0H10H10校核是否淹没淹没溢流，通过迭代确定墙高chs/H10qq≠q2H1H10hsq=q2(已知)结束迭代σsm=0.42C=2.25m,q=11.5m2/s1101+q2/(2gh′2)2tH=H+v′2/(2g)=Hhs=ht−cH=h'−c1tP162表15-2sσ02gH3/2sq=mσ已知th'