10-堰流实验
薄壁堰流的水力计算
v02
2g
hc
cvc2
2g
vc2 2g
忽略上游行进水头
H
hc
(1
)
vc2 2g
v 1
1
2g (H 0 hc ) 2g (H 0 hc )
1 1
为闸孔的流速系数
闸孔的宽度为b，收缩断面面积 Ac b e 。
0
无测收缩非淹没矩形薄壁堰的流量按无测收缩非淹没矩形薄壁堰的流量按8811式计为了便于根据直接测出的水头来计算流量可改写为了便于根据直接测出的水头来计算流量可改写811式把行近流速的影响包括在流量系数中式把行近流速的影响包括在流量系数中8822式中包括行近流速影响的流量系数式中包括行近流速影响的流量系数mm00可按下可按下列经验公式计算雷保克公式列经验公式计算雷保克公式8833p为上游堰高为上游堰高hh及及pp均以米计
H
和大孔口。 d 0.1 对小孔口，
H
由于孔直径比水头小的多，可 以近似认为孔口断面各点的压强和速度都相等。
过水断面的收缩：流水流经过孔口时，由于惯性的作用 ，水流不能在孔口附近作直角转变，只能逐渐的弯曲，过 水断面逐渐收缩，并在距壁约d/2出完成。此时的断面流 线近似平行，符合渐变流条件，该断面称收缩断面。 即 c-c 断面，收缩断面的面积与 小孔的面积的比为收缩系数：
e 0.65 H
为堰流；
闸底坎为曲线型堰流时
e 0.75 为闸孔出流；
H
e 0.75 H
为堰流；
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
8-2 孔口与管嘴出流
在容器侧壁上开孔，液体将从孔中流出，这种水流 现象称为孔口出流。
流体力学教学大纲
中央广播电视大学“开放教育试点”土木工程专业(专升本)流体力学课程教学大纲中央广播电视大学2001年12月《流体力学》教学大纲第一部分大纲说明一、课程的性质与任务流体力学是中央广播电视大学“开放教育试点”工学科土建类土木工程专业的一门公共必修课程。
该课程的主要任务是使学生掌握流体（水流）运动的一般规律和有关的基本概念、基本原理、基本方法和一定的试验技能，注意培养学生发现和解决问题的能力，为学习专业课程、从事专业技术工作或进行科学研究打下基础。
二、课程的教学基本要求学生学完本课程后应达到下列基本要求：1．具有一定的理论基础。
正确理解流体力学的基本概念。
掌握连续性方程、能量方程、动量方程的应用。
掌握水流运动的分析方法。
认识量纲分析与实验的关系。
2．对工程中的一般流体问题具有分析和计算的能力。
3．掌握一定的实验技能与方法，具有测量运动参数、分析实验数据和编写实验报告的能力。
三、课程教学要求的层次有关定义、定理、性质、特征等概念的内容按“知道、了解、理解”三个层次要求；有关计算、解法、公式、法则等方法的内容按“会、掌握、熟练掌握”三个层次要求；实验按“观察、学会、能、测定、掌握、应用”六个层次要求。
第二部分学时、教学安排、教材与教学环节一、学时分配与学分1．学时分配本课程共72学时2．学分本课程共4学分。
二、教学安排流体力学课程安排在第三学期，一个学期完成全部教学任务。
三、文字教材根据远距离教育要求，本课程的文字教材以文字主教材和文字辅助教材两部分组成，并采用合一式编排。
文字教材是学生学习课程的主要用书，主教材部分的内容是课程的基本内容，是教学的主要依据。
辅教材部分的内容是对主教材相应内容进行归纳、总结，通过例题与习题，帮助学生理解和掌握课程的内容。
文字教材是学生获得知识和提高能力的重要媒体之一，教材的内容要具有科学性，概念叙述要准确无误，方法的阐述要详细，论证要清楚，要体现远程开放教育的特点，要适合成人、以业余学习为主的特点，要便于自学。
实验六 实用剖面堰与宽顶堰溢流实验报告
实验报告实验名称_实用剖面堰与宽顶堰溢流实验课程名称__________水力学_____________院系部:可再生能源学院专业班级：水文1201学生姓名：申彦玲学号:1121550122 同组人:田沛佩王关泽尼玛多吉实验台号:农净尧指导教师：彭杨成绩：实验日期:华北电力大学一、实验目的及要求：1. 观察实用剖面堰和宽顶堰上的水流现象，并观察下游水位对水跃的影响。
2. 测定非淹没宽顶堰和实用剖面堰的流量系数m值，并与经验值进行比较。
3．测定跃后断面的流速分布，求得跃后断面的平均流速。
二、仪器用具：实验在玻璃水槽中进行，如图所示。
水槽长2.8m、宽b为0.15m、高0.3m；槽中安装WES 标准实用剖面堰，堰高P=15cm，设计水头Hd=5cm，设计水头流量系数md=0.502。
槽中还可安装宽顶堰，堰高P=8cm，堰顶δ=40cm，直角和圆角进口各一套。
水槽下游装有三角堰，用来测定水槽流量Q，槽尾设尾门以控制下游水位，用活动测针沿轨道移动以量测上下游水位。
三、实验原理（一）堰的分类：根据堰墙厚度或顶长δ与堰上水头H的比值不同而分成三种：薄壁堰；实用剖面堰；宽顶堰。
（二）堰的流量公式对图中两种堰流情况的1-1与C-C断面写能量方程，可得收缩断面流速表示式为：式中：φ为流速系数；为堰上总水头，H为堰上水头，v0为上游趋近流速；h c0为收缩断面C-C处水深。
经过适当假设与简化，得堰流流量公式：式中：b为堰宽（即槽宽），b=15cm，m为堰流的流量系数。
（三）堰的流量系数公式1. 实用高堰流量系数当P/H1.33为高堰。
WES标准剖面堰的流量系数公式为：d>m d为H0=H d时的设计水头流量系数。
式中：Hd为堰的设计水头，2. 宽顶堰流量系数（1）直角前沿进口宽顶堰，计算m的公式为：（2）圆角前沿进口宽顶堰，计算m的公式为：上二式中的P为宽顶堰高度；H为堰顶以上水头。
四、实验方法与步骤:（一）实验内容1. 记录有关常数，如堰宽b、堰高P、设计水头H d等，记录测针在堰顶、槽底处的零点读数。
各种堰流各种条件下水力计算解析及实例pxs
宽顶堰流的水力计算如图所示，水流进入有底坎的堰顶后，水流在垂直方向受到堰坎边界的约束，堰顶上的过水断面缩小，流速增大，势能转化为动能。
同时堰坎前后产生的局部水头损失，也导致堰顶上势能减小。
所以宽顶堰过堰水流的特征是进口处水面会发生明显跌落。
从水力学观点看，过水断面的缩小，可以是堰坎引起，也可以是两侧横向约束引起。
当明渠水流流经桥墩、渡槽、隧洞〈或涵洞)的进口等建筑物时，由于进口段的过水断面在平面上收缩，使过水断面减小，流速加大，部分势能转化为动能，也会形成水面跌落，这种流动现象称为无坎宽顶堰流，仍按宽顶堰流的方法进行分析、计算。
（一）流量系数宽顶堰的流量系数取决于堰的进口形状和堰的相对高度，不同的进口堰头形状，可按下列方法确定。
1、进口堰头为直角(8-22)2、进口堰头为圆角(8-23)3、斜坡式进口流量系数可根据及上游堰面倾角由表选取。
在公式（8-22）、（8-23）中为上游堰高。
当≥3时，由堰高引起的水流垂向收缩已达到相当充分程度，故计算时将不考虑堰高变化的影响，按=3代入公式计算值。
由公式可以看出，宽顶堰的流量系数的变化范围在0.32～0.385之间，当=0时，=0.385，此时宽顶堰的流量系数值最大。
比较一下实用堰和宽顶堰的流量系数，我们可以看到前者比后者大，也就是说实用堰有较大的过水能力。
对此，可以这样来理解：实用堰顶水流是流线向上弯曲的急变流，其断面上的动水压强小于按静水压强规律计算的值，即堰顶水流的压强和势能较小，动能和流速较大，故过水能力较大；宽顶堰则因堰顶水流是流线近似平行的渐变流，其断面动水压强近似按静水压强规律分布，堰顶水流压强和势能较大，动能和流速较小，故过水能力较小。
（二）侧收缩系数宽顶堰的侧收缩系数仍可按公式（8-21）计算。
（三）淹没系数当堰下游水位升高到影响宽顶堰的溢流能力时，就成为淹没出流。
试验表明：当≥0.8时，形成淹没出流。
淹没系数可根据由表查出。
无坎宽顶堰流在计算流量时，仍可使用宽顶堰流的公式。
孔口出流、堰顶溢流和闸下出流
H0 0.80 0.81 0.82 0.83 0.84 0.85 0.86 0.87 0.88 0.89
1.00 0.995 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.93 0.90 0.87
H0 0.90 0.91 0.92 0.93 0.94 0.95 0.96 0.97 0.98
1
1
2g(H0 H0 )
，流速系数 1
1
v1 2g(1)H0
WHQU kH0bv1 kH0b
1
1
2g(H0 H0 ) k
1b
2
g
H
3 0
/
2
令 m k 1
Q mb 2gH03/ 2 称为堰流基本公式。
为了方便，可将公式改写成如下形式
Q m0 2gbH3/ 2
式中 m0 m(10v02 / 2gH)3/ 2 堰流基本公式适用于各种形式的堰流，只是流量系
t 2 H 2H 2V
A 2g A 2gH Qmax
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。
8-3 管嘴出流
WHU
1、圆柱形外管嘴恒定出流
H
0v02
2g
v2
2g
hw
h
n
v2 2g
v
1
n
2gH0 n 2gH0
Q n A 2gH0
数不同而已。
2. 矩形薄壁堰流
WHU
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 )
流体力学实验
(1.1.2)
(1.1.3)
水的密度 是已知的，只要读取各管液面的高程读数，就可以求出未知密度 和 。
1.1.4实验步骤
1．关闭密封阀，并检查密封效果。其方法是，移动调压筒至某一高程位置，这时各管的液面也随之移动。如果密封效果良好，各管液面的升降的速度越来越慢，并最终停止在某一高程位置，不再变化。如果密封效果不好，各管的液面总是不停升降，直至各管液面与调压筒以及水箱的液面平齐。这就说明水箱漏气。
（1.3.1）
图1.3.2动量方程用图
射流的冲击力也可以由动量方程算出，图1.3.2是计算用图，设射流的偏转角度为 （即入射速度矢量转到出流速度矢量所旋转的角度），射流的流量为Q，入射速度为V，则有
（1.3.2）
本实验的射流偏角有90°，135°，180°等3种。
1.3.3 实验步骤
1．实验前，调节平衡锤的位置，使杠杆处于水平状态。
1.请自己推导方程（1.3.2）
2.实验中如何确定砝码的作用力臂？
3.本实验的流量是用什么方法调节的？
图1.3.3动量方程实验数据表
1.4 沿程水头损失实验
1.4.1 实验目的
测量管流的沿程水头损失系数，绘制沿程损失系数与雷诺数的变化曲线，并与尼古拉兹曲相比较。
1.3.2 实验装置
图1.4.1 沿程损失实验仪
水流从设在水箱下部的管嘴射击，冲击一个轴对称曲面档板，档板将射流冲击力传递给杠杆。移动砝码到某一位置，可使杠杆保持平衡。
本实验用杠杆平衡原理测量射流的冲击力。另外，再用流体力学的动量方程计算射流对档板的作用力，并比较这两个冲周力的大小，以便进行误差分析。
设砝码的重量为G，作用力臂为L1，射流的作用力为F，作用力臂为L。当杠杆平衡时，有
实用堰水力计算公式
1、 游水位较低，水流在流出堰顶时将产生第二次跌落。
2、 4、 10>Hδ时，用明渠流理论解决不能用堰流理论。
f h不可忽略。
同一堰，当堰上水头H 较大时，视为实用堰；当堰上水头较小时，视为宽顶堰。
§8-2 堰流的基本方程以宽顶堰为例来推求堰流的基本方程 取渐变流断面1-1C-C （近似假设渐变流） 以堰顶为基准面， 列两断面能量方程：g v g v h g v H c c c 22222000ςαα++=+ 0002H g vH =+α作用水头c h 与H 有关，引入一修正系数k 。
则00H h k c =机0kH h co =。
修正系数k 取决于堰口的形状和过流断面的变化。
代入上式，整理得：021211gH k gH k v c -=++=ϕςα23021H g b k k b RH v b h v Q c c c -===ϕ 2302H g mb = 式中：b ——堰宽ϕ——流速系数ςαϕ+=1m ——流量系数，k k m -=1ϕ适用：堰流无侧向收缩注：堰流存在侧向收缩或堰下游水位对堰流的出水能力产生影响时，可对此公式进行修正。
§8-3 薄壁堰一、一、分类：矩形薄壁堰→较大流量按堰口形状： 三角形薄壁堰→较小流量梯形薄壁堰→较大流量1、 1、 矩形薄壁堰① ① 矩形薄壁堰的自由出流；在无侧向收缩的影响时，其流量公式为： 2302H g mb Q =上式为关于流速的隐式方程，了；两边均含有流速，一般计算法进行计算，较复杂，于是，为计算简便，将上式改写成： 2302H g b m Q =0m ——已考虑流速影响的薄壁堰的流量系数 0m 的确定：矩形薄壁8的流量系数由1898年法国工程师Basin 提出经验公式为：])(55.01)[0027.0405.0(20p H H H m +++=式中：H ——堰上水头（m ）p ——上游堰高 （m ）适用条件：m H 24.1~25.0= m p 75.0~24.0= m b 0.2~2.0=2、 2、 三角形薄壁堰：当流量较小时，堰上水头较小时，采用三角形薄壁堰 ⑴公式：取微元，则流量表达式为：db h g m dQ 2302= （*） 设h 为db 处水头，则由几何关系：2)(θtgh H b -=dhtgdb 2θ-=代入*式，得dhh g tgm dQ 23022θ-= 积分得：dhh g tgm Q H⎰-=0230222θ2502254H g tg m θ=当90=θ，m H 25.0~05.0=时，实验得395.00=m 。
堰流及闸孔出流
(b)
(c)
64
一、流量系数 对堰顶入口为直角的宽顶堰
m 0.32 0.01 P 3 1 H P 0.46 0.75 1 H
65
一、流量系数 对堰顶进口为圆角的宽顶堰
P 3 1 H m 0.36 0.01 P 1.2 1.5 1 H
8-3 实用堰流的水力计算
28
一、曲线型实用堰的剖面形状
曲线型实用堰比较合理的剖面形状应当具有
下列几个优点：
(1) 过水能力大 (2) 堰面不出现过 大的负压 (3) 经济、稳定
29
一、曲线型实用堰的剖面形状
30
31
堰顶曲线BC对水流特性的影响最大，是设计曲线
实用堰剖面形状的关键。国内外设计堰剖面形状有许多方 法，主要区别在于曲线段BC如何确定。
图8-5是实验室中测得的无测收缩，非淹没矩 形薄壁堰自由出流的水舌形状。
薄壁堰 分类的根据
18
无侧收缩，非淹没矩形薄壁堰的流量按（8-1）式计 算，即
Q mb 2g H0
3/ 2
为了便于根据直接测出的水头来计算流量，可改写 （8-1）式，把行近流速的影响包括在流量系数中 去：
a0 v0 Q m b 2g H 2g a0 v0 m1 2 gH
3
4.堰流和闸孔出流的转化
闸底坎平顶堰时
e 0.65 H
e 0.65 H
为闸孔出流； 为堰流； 为闸孔出流； 为堰流；
闸底坎为曲线型堰流时
e 0.75 H e 0.75 H
式中：e为闸孔开度；H为从堰顶算起的闸前水深。
4
8-1 堰流的类型及计算公式
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
堰流实验
一、实验目的要求
１．观察不同d /H的有坎、无坎宽顶堰或实用堰的水流现象，以及下游水位变化对宽顶堰过流的影响。
２．掌握测量堰流量系数m和淹没系数s
s 的实验技能，并测定无侧收缩宽顶堰的m及s
s
值。
二、实验原理
1.堰流流量公式:
自由出流
淹没出流
2.堰流流量系数经验公式:
(1)园角进口宽顶堰
(2)直角进口宽顶堰
(3) WES型标准剖面实用堰
P1/Hd >= 时，属高坝范围，m值如下：
H0 = Hd时，m = md = ;
本实验需测记渠宽b、上游渠底高程2、堰顶高程0、宽顶堰厚度、流量Q、上游水位1及下游水位3。
还应检验是否符合宽顶堰条件 <= / H <= 10.进而按下列各式计算确定上游堰高P1、行近流速V0、堰上水头H、总水头H0:
三、实验方法与步骤
1.把设备各常数测记于实验表格中。
２.根据实验条件要求流量，调节阀门13和下游尾门开度，使之形成堰下自由出流，同时满足<d /H<10的条件。
待水流稳定后，观察宽顶堰自由出流的流动情况，定性绘出其水面曲线。
３.用测针测量堰的上、下游水位。
在实验过程中，不允许旋动测针针头（包括明渠所有实验均是如此）。
４.待三角堰和测针筒中的水位完全稳定后（需等待5分钟左右），测记测针筒中水位。
5.改变进水阀门开度，测量4-6个不同流量下的实验参数。
/）。
测记流量Q′及上、下游
6.调节尾门，抬高下游水位，使宽顶堰成淹没出流（满足h
s
水位。
改变流量重复2次。
7.测量淹没系数，方法有二：
，式中m需根据H值方法一：根据步骤6测记的Q′与H值，由式确定s
s
由自由出流下实验绘制的~曲线确定，也可由圆角进口宽顶堰、直角进口宽顶堰堰流流量系数经验公式计算得到（误差不大于2%）。
方法二：在完成步骤4后，已测得自由出流下的Q值。
后调节尾门使之成淹没出流，此时由于流量没有改变，因淹没出流的影响，上游水位必高出原水位，为便于比较，可减小过水流
量，待堰上游水位回复到原自由出流水位，测定此时的流量Q′，根据式得=Q′/Q。
s
s
重复测2次。
参照以上方法，改变h
s
对WES型实用堰，除淹没系数不测外，其余同上。
四、实验分析与讨论
问题1.量测堰上水头H值时，堰上游水位测针读数为何要在堰壁上游（3～4）H附近处测读
参考答案:
堰流水力计算公式中的堰上水头H指未降落时的上游水面至堰顶的高差。
由于距堰壁（3～4）H处的上游水面下降值已小于，水面降落的影响已可忽略，故可选此位量测。
另外，在实际工程中亦不宜在堰上游太远处测量，因为堰上游可能为a1或b1型水面线，上游端渐近于正常水深线，越向上游，水面越高。
问题2.为什么宽顶堰要在<δ/H<10的范围进行实验
参考答案:
堰流水力计算公式中的堰上水头H指未降落时的上游水面至堰顶的高差。
由于距堰壁（3～4）H处的上游水面下降值已小于，水面降落的影响已可忽略，故可选此位量测。
另外，在实际工程中亦不宜在堰上游太远处测量，因为堰上游可能为a1或b1型水面线，上游端渐近于正常水深线，越向上游，水面越高。
问题3.有哪些因素影响实测流量系数的精度如果行近流速水头略去不计，对实验结果会产生多大影响
参考答案:
堰流水力计算公式中的堰上水头H指未降落时的上游水面至堰顶的高差。
由于距堰壁（3～4）H处的上游水面下降值已小于，水面降落的影响已可忽略，故可选此位量测。
另外，在实际工程中亦不宜在堰上游太远处测量，因为堰上游可能为a1或b1型水面线，上游端渐近于正常水深线，越向上游，水面越高。