水力学 第八章 孔口、管嘴、堰流课件.ppt

'第七章孔口、管嘴出流堰流水力学HYDRAULICS §8.1孔口出流小孔口大孔口 薄壁(sharpcrest)小孔口出流公式1.自由出流(freedischarge) φ称为流速系数称为收缩系数称为孔口流量系数 由于边壁的整流作用，它的存在会影响收缩系数，故有完全收缩与非完全收缩之分，视孔口边缘与容器边壁距离与孔寸之比的大小而定，大于3则可认为完全收缩。完善收缩的薄壁圆形小孔口ε=0.64φ=0.97μ=0.62收缩系数 薄壁小孔口出流的各项系数①流速系数实验测得孔口流速系数=0.97～0.98。②孔口的局部阻力系数ζ0,③孔口的收缩系数=0.60～0.64④孔口的流量系数μ，μ=εφ。对薄壁小孔口μ=0.60～0.62。 2.淹没出流(submergeddischarge) 比较自由出流和淹没出流的基本公式自由出流淹没出流 3.孔口的变水头出流同时水面下降dh，截面积为At的容于是积分上式得水位由H1降至H2的时间水箱水位随时间变化的孔口出流称变水头出流。设一水箱，水面随水从孔口流出而下降。当水面降至距孔口中心为h时，dt时段内流出孔口的体积为器内体积减少为AtH1H2hdh 若令H2=0，即得容器放空时间为式中V—容器放空的体积；Qmax—开始出流的最大流量。 §8.2管嘴出流(nozzleeffex)管嘴出流的局部损失由两部分组成，即孔口的局部水头损失及收缩断面后扩展产生的局部损失，水头损失大于孔口出。但是管嘴出流为满流，收缩系数为1，因此流量系数仍比孔口大，其出流公式为 比较孔口和管嘴的流速系数和流量系数孔口ε=0.64φ=0.97μ=0.62管嘴ε=1φ=0.82μ=0.82 管嘴出流流量系数的加大也可以从管嘴收缩断面处存在的真空来解释，由于收缩断面在管嘴内，压强要比孔口出流的零压低，必然会提高吸出流量的能力。柱状管嘴内的真空度(vacuumpressure) 圆柱形外管嘴的正常工作条件收缩断面的真空是有限制的，当真空度达7米水柱以上时，由于液体在低于饱和蒸汽压时会发生汽化。圆柱形外管嘴的正常工作条件是：(1)作用水头H0≤9米；(2)管嘴长度l=(3～4)d。 其他形式管嘴工程上为了增加孔口的泄水能力或为了增加(减少)出口的速度，常采用不同的管咀形式(1)圆锥形扩张管嘴（θ=5～7°）(2)圆锥形收敛管嘴（较大的出口流速）(3)流线形管嘴（阻力系数最小） 孔口、管嘴的水力特性 例8-1.侧壁开有薄壁小孔口的封闭容器如图示,水面恒定H=1.0m,水面压强计PM为107.8k.Pa，求孔口直径d=20mm时自由出流的流量(ξ孔口=0.06，ε=0.64） 解：通过孔口中心的水平面为基准面，列断面1-1与C-C之间的能量方程水面恒定且v≈0 例8-2如图所示，水箱内液面距管嘴中心高度H=2.0m，已知出口流量为1.61l/s管嘴d=20mm,求管嘴的流量系数μ。?(设水面不变) 解：根据管嘴的流量：∵水面恒定不变且渐近流速v≈0故： A，B两容器有一薄壁圆形小孔相同，水面恒定，两容器水面高差，B容器开敞水面压强，A容器封闭，水面压强，孔口淹没出流的流量，当流速系数,收缩系数，不计流速水头时，求孔口直径d。解.设以容器B水面为基准面，且为1－1断面；A容器水面为2－2断面，列能量方程得：又又水往哪流？ 图式水箱，在侧壁孔径为d的圆孔上，拟分别接上内径均为d的三种出流装置，请把这三种装置的出流量Q按大小顺序排列并说明这样排列的理由(弯管局部损失很小)解.1、2、Qc最大是由于长度为l的竖向短管使Qc的作用水头大大增加，尽管存在弯管水头损失，但相对于增加的作用水头要小得多,QA、QB作用水头相同但短管水头损失比管嘴大QA>QB 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。8.3堰流 堰、闸水流的判别HeHe堰流闸孔出流 为控制水位和流量而设置的顶部溢流障蔽称为堰。堰流特征堰流不受闸门控制水面为一条光滑的曲线。上游壅水，水流在重力作用下运动，将势能转化为动能的过程；急变流，能量损失主要是局部水头损失。 堰流的分类堰的外形及厚度不同，其能量损失及过水能力也会不同堰高P1堰高P2堰顶厚度δδ堰顶厚度δ堰顶厚度堰宽b堰顶水头HHH按δ/H分类δ/H<0.67薄壁堰流0.67<δ/H<2.5实用堰流2.5<δ/H<10宽顶堰流曲线形折线形有坎无坎 按下游水位是否对过堰水流有顶托阻水的影响自由堰流淹没堰流有无侧向收缩无侧收缩堰流b=B有侧收缩堰流b≠B 堰流的基本公式应用能量方程式可推得过堰流量堰宽堰顶全水头HV0流量系数侧收缩系数淹没系数水力计算类型计算过堰流量Q计算堰上水头H设计堰宽b 薄壁堰流的水力计算薄壁堰流具有稳定的水头和流量的关系，常作为水力模型或野外测量中一种有效的量水工具。当矩形薄壁堰无侧收缩，自由出流时，水流最为稳定，测量精度也较高；堰上水头不宜过小，一般不宜小于2.5m；水舌下面的空间通气良好；H 宽顶堰溢流一、水流特点如图所示，自由式时，两次跌水broadcrestweir 图有坎的宽顶堰流有坎宽顶堰流底坎引起水流在垂直方向收缩H00PP’v0δ11v1 Hv0图隧洞或者涵洞进口无坎宽顶堰流无坎宽顶堰流由于侧向收缩，进口水面跌落，产生宽顶堰。例如，当水流进入涵洞或隧洞进口流，经过桥墩之间的水流。 图桥墩之间的无坎宽顶堰流Hv0 二、流量公式自由式:淹没式:式中：一般由经验公式确定 1流量系数流量系数取决于堰顶进口形式、堰的相对高度P/HH00Phv0δ11v1（flowcoefficient） 堰顶入口为直角的宽顶堰H00Phv0δ11v1 HPv0r堰顶入口为圆弧的宽顶堰 宽顶堰为自由出流时，堰前为缓流，进口产生第一次水面跌落（由于进口产生局部损失）hSH00PP′v02H11NNhc2淹没影响submergedeffect 收缩断面：在进口约为2H处hchn，整个断面为缓流状态，成为淹没出流。H00PP′v02H11NNhS波状水跃hc 淹没系数 淹没标准当时，下游水流绝对不会影响堰顶溢水流性质当时，为形成淹没式宽顶堰的必要条件实验证明，为形成淹没式宽顶堰的充分条件 dbbb边墩边墩闸墩闸墩B3.侧收缩影响有的堰顶过流宽小于上游渠宽；堰顶设闸墩及边墩，引起水流侧向收缩，降低过流能力，用侧收缩系数ε反映其影响。影响侧收缩的主要因素1)闸墩和边墩头部形状;2)闸墩数目;3)闸墩在堰上相对位置;4)堰上水头等 单孔宽顶堰 [解]因故该潜水坝属于宽顶堰[例1]图示为某矩形断面渠道中的直角进口无侧收缩潜水坝。已知坝长δ=2.5m，坝顶水头H=0.85m，坝高hp=hp′=0.5m,坝下游水渠h=1.10m，坝宽b=1.28m，试求过坝流量，取动能修正系数a=1.0三、宽顶堰溢流的计算 满足宽顶堰淹没溢流的必要条件，但不满足充分条件，故为自由式溢流1.判别出流形式 2.计算流量系数m因，故由别列津斯基公式得： n=0：n=1：n=2：因若该计算误差小于要求的误差限值，则过坝流量为3.计算流量Q 潜坝上游水流确为缓流，故上述计算有效4.校核潜坝上游流动状态 例：如图所示直角进口堰，堰顶厚度δ=5m，堰宽与上游矩形渠道宽度相同，b=1.28m，求过堰流量。P1=0.5mH=0.85mh=1.12m解：（1）判别堰型三、宽顶堰溢流的计算 （4）第二次近似计算流量（3）第一次近似计算流量设H01=H=0.85m（2）确定系数 （5）第三次近似计算流量（6）验证出流形式为自由出流，故所求流量为1.68m3/s。符合要求'