流体力学网上辅导(8)29493.pdf

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1、 1 流体力学网上辅导材料：第 8 章 堰流与闸孔出流【教学基本要求】1、了解堰流与闸孔出流的水流特征。2、掌握堰流分类的判别标准、堰流与闸孔出流的判别。3、了解薄壁堰水力计算。4、掌握自由式宽顶堰水流特性。5、了解淹没式宽顶堰形成的过程，掌握淹没式宽顶堰形成的条件。6、掌握宽顶堰水力计算。7、掌握小桥过流水力特征和小桥孔径的计算方法。【学 习 重 点】1、堰流的水力特征及水力计算基本公式。2、宽顶堰自由出流与淹没出流的水力特征，淹没式宽顶堰形成的条件。3、小桥过流的自由出流与淹没出流的水力特征、及其判别标准。4、宽顶堰的水力计算（过流能力、堰宽的设计）。5、小桥过流水力计算原则及小桥孔径的计

2、算。【内容提要和学习指导】8.1 概述 无压缓流经障壁溢流时，上游水位壅高，而后水面跌落的局部水流现象统称堰流。堰流常常作为工程措施予以应用。如，为了泄水或引水，要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；在交通工程中，常在河道或渠道上建桥或涵洞，水流受桥墩或涵洞的阻碍，也形成堰流。根据堰流的水流特征，分为薄壁堰、实用断面堰、宽顶堰，本章重点介绍宽顶堰和小桥过流水力计算。8.2 堰的类型及其判别标准 根据堰的厚度与堰上水头H的关系,将堰分为三种类型:67.0H（薄壁堰）;5.267.0H（实用断面堰）;105.2H（宽顶堰）。8.3 堰流的基本公式 堰流的水流特征相似，都是上游水

3、位壅高，下游水面跌落，故可统一为一个基本公式：232 HgmbQ Q-流量，m-流量系数，b-堰宽，H-堰上水头。对于侧收缩堰，加侧收缩系数，计算公式为：232 HgbmQ 对于淹没堰，加淹没系数，计算公式为：232 HgbmQ 2 8.4 薄壁堰水流平稳,常作为量水设备,薄壁堰流量计算多为经验公式,使用时要注意其应用条件及适用范围。8.5 无测收缩宽顶堰自由出流水流特征 水流特征：在进口前水位壅高。进入堰顶后水流产生跌落，有垂向收缩，堰顶上水流为急流。再跌坎后再一次跌落，出现二次跌落现象。8.6 无测收缩宽顶堰淹没出流形成过程、水流特征、判别标准 当下游水位超过堰顶时(超过堰顶高度2Phht

4、s),有可能对水流其到顶托作用,改变堰的过流性质,sh必须达到一定程度才会形成宽顶堰淹没出流。图中（a）虽然0sh，下游为水跃衔接，仍为自由式堰流；图中（b）下游水位继续升高，形成波状水跃，亦为自由式堰流，堰的过流能力不变；当sh0.8H0才变为宽顶堰淹没出流。宽顶堰淹没出流水流特征：在进口前水位壅高.进入堰顶后水流产生跌落，有动能恢复z，堰顶上水流为缓流。淹没出流判别标准:必要条件0sh,充要条件是sh0.8H0。8.7 宽顶堰流量公式 5.102 HgbmQs m-流量系数，淹没系数，-侧收缩系数 请注意:宽顶堰流量公式中,有一项 H0，在流量未知时，H0也是未知的，进行流量计算时要用迭代

5、法。（参考例 8.1）3 8.8 小桥过流自由出流与淹没出流的判别标准。小桥是相对大江大桥而定义的，小桥过流的水力现象与宽顶堰流相似，也分为自由出流与淹没出流，当下游水深th大于桥下临界水深kh的 1.3倍时为淹没出流。反之，为自由出流。即，自由出流，th1.3kh，淹没出流，3.1Kthh。请注意：桥下临界水深kh与渠道中临界水深Kh不同。8.9 小桥孔径的计算原则 小桥过流的水力计算，按工程习惯做了简化处理，小桥孔径的计算原则是为了保证工程的安全，有以下几个原则：要求满足过水能力 过水能力的计算,根据桥孔结构形式、桥基护面材料，合理选择参数（查相关手册）：收缩系数 ，流速系数 ，桥墩形系数

6、a，垂向收缩系数 等。满足桥下不被冲刷，即vv；满足桥前壅水深度H小于规范中允许壅水深度H，即HH。【思 考 题】8-1 堰流的特征有那些，是如何划分类型的？8-2 堰流基本公式中m，s等系数与那些因素有关？8-3 为什么说下游水位超过堰顶，即sh0，只是淹没的必要条件不是充分条件？“淹没出流”的含义是什么？8-4 小桥、涵的过水现象为什么会与宽顶堰流相似？8-5 为什么桥孔下的临界水深kh与桥前渠道中的临界水深kh的值是不等的？8-6 为什么堰流的水力计算中，必须分析水流衔接情况？【解 题 指 导】思 8-4提示:因为桥涵的修建改变了原有的水流条件,桥墩或涵洞都对水流形成阻力,造成上游水位壅

7、高,下游水位跌落,与宽顶堰流相似。思 8-5提示:因为桥涵的修建改变了原有的过流断面积，桥下的单宽流量有了变化，故临界水深不同。例 1：有一矩形渠道上设有直角进口无侧收缩宽顶堰，堰宽 b=3.5m，堰高21PP=0.5m，堰上水头 H 0.30m，下游水深 0.6m，求通过的流量？(精度要求2)解：1.判断是自由出流还是淹没出流 mphhts1.05.06.02 mH24.030.08.08.0 08.0Hhs 所以为自由出流 4 2.流量系数 m 367.130.0/5.0/1HP 328.030.0/5.076.046.030.0/5.0301.032.0/76.046.0/301.032

8、.011HPHPm 3.求流量（迭代法求解）(1)令HH 0 smHgmbQ/8355.030.081.925.3328.0235.15.11 (2)mgvHH3045.0)5.030.0(5.381.928355.030.022222001 smQ/8544.03045.081.925.3328.035.12 (3)mH3047.0)5.03.0(5.381.928544.03.022202 smQ/8552.03047.081.925.3328.035.13 200094.0/)(223QQQ 答:通过流量为 0.855m3/s.此题并不复杂，用公式即可求解，问题在于如何确定流量系数，在流

9、量未知时，H0也是未知的，进行流量计算时要用迭代法，先假定HH 0，求出初始流量，计算上游断面平均流速，在计算gvHH220，再计算流量，逐步逼近。例 2 在梯形断面河道中拟修一个单孔小桥，底宽 b=8.0m，边坡系数5.1m，下游水深 0.9m,拟采用单孔锥坡填土型式，垂向收缩系数80.0，侧收缩系数=0.9，流速系数=0.85，通过流量 Q 14.85m3/s，按规范要求 H=2.50m，桥下允许流速v=3.5m/s，试设计桥孔经 L。（按自由出流设计）解:(1)计算桥下临界水深,判断是自由出流还是淹没出流 mgvhK799.081.95.38.0222 2 mhmhtK9.004.179

10、9.03.13.1 为自由出流 (2)试算桥孔径 b 查表 8-2 得,侧收缩系数9.0,由公式 8-27 vbhQK得 5 mvhQbK38.75.3799.08.09.085.14 取标准孔径 L=8.0m(3)复算Kh,由公式 8-25 mgLQhK493.181.92)88.0(85.1485.02)(3232 tKhh 3.1 是自由出流无误(4)校核桥前壅水 H mgvhHKK36.281.925.385.01439.1212222 mHH5.2 最后可以确定该桥的孔径为 8.0m.此题涉及的概念有:小桥孔径的计算原则、小桥过流流态（自由出流与淹没出流）、按自由出流计算出孔径要选择标准孔径，一般往大处选，桥下临界水深有变化，还要复算是自由出流与淹没出流。若为自由出流桥孔孔径确定，否则按淹没出流计、算设计。