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HYDRAULICS 第8章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸下出流

HYDRAULICS 第8章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸下出流. 李大美 教授 博士生导师 武汉大学. Chapter 8 目录. 8-1 概述 8-2 孔口出流 8-3 管嘴出流 8-4 堰顶溢流 8-5 闸孔出流. 8-1 概述. 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流属于急变流。其水头损失以局部损失为主，沿程损失往往忽略不计。这类水流形式在实际工程中广泛存在。本章着重讨论上述建筑物形体对过流能力的影响，及其常用的水力计算方法。. 液体经容器壁上孔口流出的水力现象。 孔口分类：

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HYDRAULICS 第8章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸下出流

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  1. HYDRAULICS 第8章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸下出流 李大美 教授 博士生导师 武汉大学

  2. Chapter 8 目录 • 8-1 概述 • 8-2 孔口出流 • 8-3 管嘴出流 • 8-4 堰顶溢流 • 8-5 闸孔出流

  3. 8-1 概述 • 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流属于急变流。其水头损失以局部损失为主，沿程损失往往忽略不计。这类水流形式在实际工程中广泛存在。本章着重讨论上述建筑物形体对过流能力的影响，及其常用的水力计算方法。

  4. 液体经容器壁上孔口流出的水力现象。 孔口分类： 大孔口 H/d＜10 小孔口 H/d≥10 流动分类：恒定和非恒定出流 出流分类：自由出流和淹没出流 收缩分类：完善收缩和不完善收缩 1、孔口出流

  5. 在孔口接一段长l=(3～4)d的短管，液流经过短管并充满出口断面流出的水力现象。 根据实际需要管嘴可设计成： 1）圆柱形：内管嘴和外管嘴 2）非圆柱形：扩张管嘴和 收缩管嘴。 2、管嘴出流

  6. 水流经堰顶下溢的水力现象。水面呈连续降落曲线。 堰的分类： 薄壁堰 ＜0.67 实用堰0.67＜ ＜2.5 宽顶堰 2.5＜ ＜10 3、堰顶溢流

  7. 水流从闸底缘与底板形成的孔口流出的水力现象。 闸门分类：平板闸门和 弧形闸门。 第坎分类：曲线形实用堰和宽顶堰。 出流分类：自由出流和淹没出流。 4、闸孔出流

  8. 8-2 孔口出流 • 1、薄壁小孔口恒定出流 • 薄壁：出孔水流与孔壁仅在周线上接 • 触，即孔壁厚度对出孔水股没有影响。 • 小孔口：H/d>10 • 1)小孔口的自由出流 • pc=pa=0 • 薄壁小孔口自由出流的基本公式

  9. 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 • ④孔口的流量系数μ，μ=ε 。 • 对薄壁小孔口μ= 0.60～0.62。

  10. 2）淹没出流 • 当出孔水流淹没在下游水面之下。 • 孔口淹没出流的流速和流量 • 均与孔口的淹没深度无关， • 也无“大”、“小”孔口的区别。

  11. 3）小孔口的收缩系数及流量系数 • 实验证明，不同形状小孔口的流量 • 系数差别不大，但孔口边缘情况对 • 收缩系数会有影响，薄壁孔口的收 • 缩系数ε最小，圆边孔口收缩系数 • ε较大，甚至等于1。孔口在壁面上 • 的位置，对收缩系数ε有直接影响 ，不完善收缩孔口的流量系数μnc大于完善收缩的流量系数μ。

  12. 2、孔口非恒定出流 • 如容器水面随时间变化，孔口的流量 • 也会随时间变化，称为变水头出流或 • 非恒定流。

  13. ①当容器为柱体，Ω=常数，则有： • ②当H1=H，H2=0，即得容器“泄空”(水面降至孔口处)所需时间 • 变水头出流时容器“泄空”所需要的时间，等于在起始水头H作用下恒定出流流出同体积水所需时间的二倍。

  14. 8-3 管嘴出流 • 1、圆柱形外管嘴恒定出流

  15. 管嘴的流量系数 • 管嘴阻力系数ζn= 0.5 • 管嘴流速系数 • 管嘴流量系数，因出口无收缩μn=φn= 0.82 • 显然μn= 1.32μ。可见在相同条件，管嘴的过流能力是孔口的1.32倍。

  16. 2．圆柱形外管嘴的真空 • 孔口外面加管嘴后，增加了阻力，但是流量反而增加，这是由于收缩断面处真空的作用。 • 对圆柱形外管嘴： • α=1，ε=0.64，φ=0.82

  17. 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，如长江中下游地区，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。

  18. 3）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 ）

  19. 孔口、管嘴的水力特性

  20. 8-4 堰顶溢流 • 无压缓流经障壁溢流时， • 上游发生壅水，然后水面降落， • 这一局部水流现象称为堰流。 • 障壁称为堰。堰对水流的作用： • ① 侧向约束；② 底部约束。

  21. 1、堰流的基本公式 • 用能量方程式来推求 • 堰流计算的基本公式 • 令 • ，流速系数

  22. 令 • 称为堰流基本公式。 • 为了方便，可将公式改写成如下形式 • 式中 • 堰流基本公式适用于各种形式的堰流，只是流量系数不同而已。

  23. 2. 矩形薄壁堰流 • 测量流量用的矩形薄壁堰，一般都做得和上游进水槽一样宽，这样，水流通过堰口时，不会产生侧向收缩。 • 1)具有溢流水舌有稳定的外形；(堰顶必须做成向下游倾斜的锐角薄壁 ) • 2)稳定的流速分布和压强分布；(堰板下游侧墙内埋设通气孔，使水舌内外缘空气压强相等 ) • 3)稳定的水头和流量关系。(堰顶水头H≥3cm)

  24. (1)矩形薄壁堰无侧向收缩自由溢流的水舌形状 • ①在距堰壁上游3H处，水面降落0.003H， • ②在堰顶上，水舌上缘降落了0.15H。 • ③由于水流质点沿上游堰壁越过堰顶时的 • 惯性，水舌下缘在离堰壁0.27H处升得 • 最高，高出堰顶0.112H，此处水舌的垂 • 直厚度为0.668H。 • ④距堰壁0.67H处，水舌下缘与堰顶同高. • 这点表明，只要堰壁厚度δ＜0.67H， • 堰壁就不会影响水舌的形状。

  25. 只要堰壁厚度δ＜0.67H，堰壁就不会影响水舌的形状。因此，把δ＜0.67H的堰，称为薄壁堰。矩形薄壁锐缘堰自由溢流水舌几何形状的观测成果，为后来设计曲线形剖面堰提供了依据。

  26. (2)矩形薄壁堰溢流的计算 • 流量公式 • 流量系数采用巴赞公式(1898) • 适用范围 ： • H≤1.24m，b≤2m，P≤1.13m

  27. 有侧向收缩影响的流量系数 • 薄壁堰在形成淹没溢流时，下游水面波动较大，溢流很不稳定。所以，一般情况下量水用的薄壁堰不宜在淹没条件下工作。

  28. 3、三角形薄壁堰 • 在H＜0.05m，流量小于100l /s时，宜采用三角形薄壁堰作为量水堰

  29. 根据汤姆逊(P.W.Thomson)的实验，在H=0.05～0.25m时，m0=0.395。因此θ=90°的三角形薄壁堰的流量公式为 • 金(H. W. King)根据实验提出，在H=0.06～0.55m条件下，流量公式为 • 两式中单位，H 用m，Q 用 m3/s。

  30. 4. 实用堰流 • 实用堰主要用作蓄水挡水建筑物——坝 。其剖面可设计成曲线或折线两类(如图）。

  31. 曲线实用堰的纵剖面外形轮廓，基本上按矩形薄壁堰自由溢流水舌的下缘形状构制。曲线实用堰的纵剖面外形轮廓，基本上按矩形薄壁堰自由溢流水舌的下缘形状构制。 • 曲线形实用堰又分为非真空堰和真空堰两大类。 • 实用堰的流量公式采用堰流的基本公式进行计算，如自由溢流 • 淹没溢流 • 由于实用堰堰面对水舌有影响，所以堰壁的形状及其尺寸对流量系数有影响，其精确值应由模型试验确定。在初步估算中，真空堰m≈0.50，非真空堰m≈0.45，折线形实用堰m在0.35至0.42之间。

  32. 曲线形实用堰 • 曲线形剖面堰轮廓由4段组成：①上游堰面AB，可垂直或倾斜；②堰顶溢流段BOC，O为堰顶最高处；③下游堰面直线段CD，在C点与OC曲线相切；④堰面与下游河床相切的反弧段DE。 • 曲线形剖面堰的各种不断完善的剖面形式，正是针对BOC曲线段提出来的。

  33. WES 剖面堰 • 我国从上世纪60-70年代开始采用WES 剖面堰。 • 堰顶水头: Hd=Hw-0.112Hw=0.888Hw • 式中Hw为薄壁堰堰顶水头。 • OB段由三段圆弧组成： • R1=0.5Hd, c1=0.175Hd , a1=0.0316Hd • R2=0.2Hd, c2=0.276Hd , a2=0.1153Hd • R3=0.04Hd , c3=0.2815Hd , a3=0.136Hd • OC段用经验方程表示：

  34. WES 剖面堰的流量系数 • 堰顶曲线是依据Hd决定的，当H=Hd , md=0.502; • 当实际工作水头H大于或小于Hd ，流量系数m也将有所变化。

  35. 侧收缩系数 • 控制水位和流量，堰顶常设有多孔闸门和闸墩，造成过堰水流的侧向收缩。 • 可用“有效宽度”Bc代替实际堰宽B,

  36. 5. 宽顶堰流 • 宽顶堰流分自由式和淹没式两类。宽顶堰上的水流主要特点：自由式宽顶堰流在进口不远处形成一收缩水深h1(即水面第一次降落)，此收缩水深h1小于堰顶断面的临界水深hk，形成流线近似平行于堰顶的渐变流，最后在出口(堰尾)水面再次下降(水面第二次降落)，

  37. 1)自由式无侧收缩宽顶堰 • 自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算可采用堰流基本公式 • 流量系数m与堰的进口形式以及堰的相对高度p/H等有关 • ①直角进口： • 当0≤P/H≤3 • 当P/H＞3, m=0.32 • ②圆角进口(r/H≥0.2 ) • 当0≤P/H≤3 • 当P/H＞3，m= 0.36 • 可证明，宽顶堰的流量系数最大不超过0.385，因此，m的变化范围，应在0.32～0.385之间。

  38. 2)淹没式无侧收缩宽顶堰 • 宽顶堰的淹没判别 ： • 进口平顺：hs /H0>0.75;进口不平顺： hs /H0>0.85 • 淹没式无侧收缩宽顶堰的流量

  39. 3)无坎宽顶堰流 • 当宽顶堰的堰顶高程与上游引水渠渠底高程相同为无坎宽顶堰。 • 无坎宽顶堰流的流量系数与进口翼 墙形式有关 • （见P292-293,表8-4-2～表8-4-4)。 • 被闸墩分隔的多孔无坎宽顶堰流的流量系数

  40. 8-5 闸下出流 • 闸下出流水面线被闸门阻隔中断 , 上下游水面线不连续 。 • 闸孔过流能力，与闸前水头、闸门开度、闸门型式、底坎形式以及出流是否淹没等因素有关。

  41. 1、底坎为宽顶堰的闸孔出流 • 1）收缩断面及垂直收缩系数 • 同小孔口出流一样，孔后(0.5～1)e处出现收缩断面c-c， • 收缩断面水深 • 自由出流的流量公式

  42. 2）闸孔淹没出流的判别 • 当闸后水跃淹没到闸孔，影响 • 闸孔过流能力，为淹没出流。 • 淹没的判别 • ①自由出流: hc〞≥ht • ②淹没出流: hc〞< ht

  43. 2、曲线形实用堰上的闸孔出流 • 曲线形实用堰上的闸孔出流会产生垂直收缩。 • 平板闸门 • 弧形闸门

  44. 3、闸孔流与堰流的转化 • 闸孔出流与堰流在一定条件下可互相转化。 • 底坎为宽顶堰： 底坎为曲线形实用堰： • 闸孔出流 e/H≤0.65 e/H≤0.75 • 堰流 e/H > 0.65 e/H > 0.75

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