实用堰流
流体力学7-8堰流
2
2g
H c P 1 v0
v h
2
hc
c
hs hs
自由出流
一、自由式无侧收缩宽顶堰
进口不远处形成一收缩水深，此收缩水深小于堰顶断 面的临界水深，以后形成流线近似平行于堰顶的渐变流 (急流)，水面在堰尾第二次下降。 3 2 0
Q mb 2 g H
10
自由式无侧收缩的宽顶堰公式
Q mb 2 g H 0
2、水力学定义：
堰：在缓流中，为控制水位和流量而设置的顶部溢流的 障壁。 堰流：缓流经堰顶溢流的局部水流现象。堰顶溢流时， 由于堰对来流的约束，使堰前水面壅高，然后堰上水面 跌落，流过堰顶。
2
3、堰的工程应用：
水利工程：溢流堰是主要的泄水建筑物 给排水工程：常用的溢流集水设备和量水设备 实验室常用的流量量测设备
流量加大，坝底处会形成真空，引起坝基 振动，故对大型水坝底部要进行消能处理。
17
1、在所有堰流中，哪种堰流的流量系数最大，哪种堰流 的流量系数最小？ 实用堰流量系数最大，宽顶堰流量系数最小。 2、堰壁的厚度对堰流有何影响？ 堰壁的厚度与堰上水头比值的大小决定了水流溢流的 流动图形。 3、薄壁堰、实用堰、宽顶堰的淹没出流判别条件有什么 区别？ 三者淹没出流的必要条件相同：堰下游水位高出堰顶标 高；但充分条件不同，薄壁堰、实用堰是：下游发生淹 没式水跃衔接。宽顶堰是：下游水位影响到堰上水流由 急流变为缓流即hs>0.8H。 4、堰流流量公式中的流量系数m和m0有什么区别？ Q mb 2 g H 0 3 / 2 m没有计及行近流速 19 3/ 2 m0考虑了行近流速的影响 Q m0b 2 g H
Q mb 2 g H
3．侧收缩的影响
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 。
实用堰水力计算
实用堰水力计算实用堰流的水力计算[日期:06/21/200620:09:00]来源:作者:[字体:[url=javascript:ContentSize(16)]大[/url][url=javascript:ContentSize(14)]中[/url][url=javascript:ContentSize(12)]小[/url]](一)实用堰的剖面形状实用堰是工程中既可挡水又可泄水的水工建筑物，根据修筑的材料，实用堰可分为两大类型:一是用当地材料修筑的中、低溢流堰，堰顶剖面常做成折线型，称为折线形实用堰。
一是用混凝土修筑的中、高溢流堰，堰顶制成适合水流情况的曲线形，称为曲线形实用堰。
曲线型实用堰又可分为真空和非真空两种剖面型式。
水流溢过堰面时，堰顶表面不出现真空现象的剖面，称为非真空剖面堰;反之，称为真空剖面堰。
真空剖面堰在溢流时，溢流水舌部分脱离堰面，脱离部分的空气不断地被水流带走，压强降低，从而造成真空。
由于真空现象的存在，堰面出现负压，势能减少，过堰水流的动能和流速增大，流量也相应增大，所以真空堰具有过水能力较大的优点。
但另一方面，堰面发生真空，使堰面可能受到正负压力的交替作用，造成水流不稳定。
当真空达到一定程度时，堰面还可能发生气蚀而遭到破坏。
所以，真空剖面堰一般较少使用。
一般曲线型实用堰的剖面系由以下几个部分组成:上游直线段，堰顶曲线段，下游直线段及反弧段，如图所示。
上游段常作成垂直的;下游直线段的坡度由堰的稳定和强度要求而定，一般取1:0.65~1:0.75;圆弧半径可根据下游堰高和设计水头由表查得。
当10m时，可采用=0.5;当9m时，近似用下式计算，式中为设计水头。
在工程设计中，一般选用=(0.75-0.95)(为相应于最高洪水位的堰顶水头)，这样可以保证在等于或小于的大部分水头时堰面不会出现真空。
当然水头大于时，堰面仍可能出现真空，但因这种水头出现的机会少，所以堰面出现暂时的、在允许范围内的真空值是可以的。
实用堰流的特点(精)
自由堰流 淹没堰流
hs 0.15
H
淹没条件：
H0
P2 2 H0
水力分析与计算
hs ht
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
(3)按有无侧向收缩
无侧收缩堰流 b=B 有侧收缩堰流b≠B
有侧收缩堰流
水力分析与计算
无侧收缩堰流
实用堰流水力计算
曲线形 折线形
作为挡水及泄水建筑物的溢流坝就是实用堰的典型例子。低溢流 堰常用石料砌筑成折线形，较高的溢流坝为了增大过流能力，一 般作成曲线形，即所谓的折线型实用堰和曲线型实用堰。
水力分析与计算
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
曲线实用堰
水力分析与计算
折线实用堰
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
水力分析与计算
实用堰流水力计算
1.堰流的概念
（a）薄壁堰流
（b）折线型实用堰流
（c）曲线型实用堰流
（Hale Waihona Puke ）宽顶堰流水力分析与计算 图1 （a）、（b）、（c) 、 （d)堰流
实用堰流水力计算
2.实用堰流的分类
（1）按堰的外形及厚度不同，按δ/H分类，其能量损失及过水 能力也会不同
0.67<δ/H<2.5 实用堰流
3. 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：
Hd
(1) 过水能力大 (2) 堰面不出现过大的负压 (3) 经济、稳定
P1
B C m
O P2
D
A
α
E
水力分析与计算
实用堰流水力计算
实用堰流的系数确定.
为闸墩形态系数，与墩头形状、墩的平面位置有关以及淹没程度有
0
水力分析与计算
实用堰流水力计算
3. 实用堰侧收缩系数
侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面 经验公式计算：
H0 1 0.2 k (n 1) 0 nb
式中： n为堰孔数；
H0为堰顶全水头；
水力分析与计算
主持单位: 广东水利电力职业技术学院
黄河水利职业技术学院
参建单位: 杨凌职业技术学院 安徽水利水电职业技术学院 四川水利职业技术学院
山西水利职业技术学院
长江工程职业技术学院
之比P1/Hd、堰顶全水头
与设计水头之比H0/Hd 以 及上游面的坡度。
水力分析与计算
实用堰流水力计算
3. 实用堰侧收缩系数
侧收缩系数就是用来考虑边墩及闸墩对过水能力的影响。可由下面
经验公式计算：
式中：
H0 1 0.2 k (n 1) 0 nb
n为堰孔数； H0为堰顶全水头； k为边墩形状系数，与边墩几何形状有关，查图1确定； 关，查表1确定。
淹 没 系 数
侧 收 缩 系 数
流 堰 量 宽 系 数
堰 顶 全 水 头 计算过堰流量Q
1 1
s 1
水力计算类型
计算堰上水头H 设计堰宽b
水力分析与计算
实用堰流水力计算
2. 实用堰流量系数
实验研究表明，曲线型 实用堰的流量系数主要决 定于上游堰高与设计水头
WES堰 md=0.502
水力分析与计算
实用堰流的系数确定
主讲人： 刘红英 杨凌职业技术学院
2014.11
实用堰流水力计算
实用堰流的系数确定
水力学课件堰流及闸孔出流
e=0.5m e=1m e=1.5m e=2m
Q（m3/s）
23前进
水库放水时间的计算
水库是用来蓄洪水的，在洪水到达之前有时需将 水库中的水放掉，这就需要计算放水所需要的时间。
Q0
库水位不变时 Qeb 2gH
△H
库水位下降△H时 Qeb 2gH
H
Q
水库的水面面积， 随水库水位而变
依水量平衡： eb2g H tQ 0 t H
返回堰闸水流的判别hehe堰堰流闸孔出流075eh?075eh?065eh?065eh?返回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堰顶厚度堰顶厚度堰顶厚度堰宽b堰顶水头hhh按h分类h067薄壁堰流067h25实用堰流25h10宽顶堰流曲线形折线形有坎无坎前进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按有无侧向收缩无侧收缩堰流bb有侧收缩堰流bb返回堰流的基本公式应用能量方程式可推得32102sqmbgh???过堰流量过堰流量堰宽堰宽堰顶全水头堰顶全水头2002vhhg???hv0流量系数流量系数侧收缩系数侧收缩系数淹没系数淹没系数11??1s??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返回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
所以为闸孔出流
（3）确定系数 由表8.9查得闸孔流量系数 0.667
（4）计算过闸孔流量
Q b e 2 g H 0 . 6 6 7 5 7 1 1 9 . 6 5 2 3 1 m 3 /s
所以该工况下，通过闸孔的流量为231m3/s。
水库调度图 水库放水时间计算
22前进
水库调度图
H
hs
梯形堰实用流量计算公式
标题：梯形堰实用流量计算公式说明：图12-10所给出的堰口形状为梯形的堰叫做梯形堰。
在流量计算时，可以认为经过梯形堰的液流流量是相应的矩形堰和三角形堰的流量之和，于是由式（12-3）和式（1 2-11）得上式中，若C1=C2=Ce，则：这是梯形堰的一般表达式，当tanθ=1/4时，可得下列公式：这种tanθ=1/4的梯形堰也叫做希普列蒂堰，希普列蒂（Ci ppoletti）给出了流量的近似计算公式：上式的适用条件为：D≥2.5h；p≥2h；b≥3h标题：矩形堰和全宽堰实用流量计算公式说明：堰口形状为矩形的堰叫做矩形堰，而宽度等于明渠宽度的矩形堰就是全宽堰，如图12-4所示。
1）矩形堰、全宽堰测流量的原理及流量计算一般式在短形堰、全宽堰的堰口曲线方程为代入式（12-8），沿高度方向积分得2）矩形堰a）金德斯瓦特卡特（Kindsvater-Carter）公式金德斯瓦特卡特于1959年发表的这个公式，是在式（12-10）的基础上对流体的表面张力和粘性的影响进行了修正，把流量系数和修正值用图给出。
式中，Ce是流量系数，是b/B和h/p的函数，式中，p是短形堰或全宽堰的下缘到堰底的距离；B是堰的宽度；b e是有效堰口宽度，be=b+k b，b是实际堰口宽度；k b是宽度修正值对应于堰宽的修正值，取表12-1中的值。
h e是堰的有效水头，h e=h+k h，h是实际测量的水头；k h是对水头的修正值，一般取O. OO1m。
公式的适用条件是C e的值可以查图12-5，或按下列公式计算上式的适用条件为3）全宽堰a）金德斯瓦特一卡特（Kindsvater-Carter）公式上式的适用条件为：SIA公式上式的适用条件为b）雷包克（Rehbock）公式上式的适用条件为：上式中的U a是明渠上游侧的平均液流速度，U a=qv/Aa，Aa是水头测量处明渠的通流面积。
因为U a是qv的函数，所以必须用逐步近似法计算。
上式的适用条件为：村石花地水电站压力管前段为铁管，后段为水泥涵管（外径为1.26米），内径均为1.10米。
018项目六堰流水力分析与计算
图 6-3
（6-6） 式（6-6）中 H—堰上水头，m； P1—上游堰高，m； B0—堰上游引水渠宽，m。 当0.5m≤B0≤1.2m；0.1m≤P1≤0.75m；0.07m≤H≤0.26m；且H≤B0/3时，流量测 量误差小于±1.4%。有时近似采用C0=1.4。 【案例6-1】：某渠道末端设有一矩形无侧收缩薄壁堰，用来量测流量，已知堰上水 头H=0.25m，堰高P1=P2=0.5m，堰顶过水净宽 B=1.2m，下游为自由出流，求通过薄壁堰 的流量。 【案例分析与计算】 ： 因无侧收缩且为自由出流，可先按式（6-4）计算流量系数 m0，然后用式（6-3）计
任务三
有坎宽顶流水力计算
1 有坎宽顶堰流水力现象及计算公式
1.1 有坎宽顶堰流水力现象 当堰顶水平且堰顶厚度与堰上水头满足 2.5H<δ≤10H 时，在进口处形成水面跌落， 堰顶范围内产生一段流线近似平行堰顶的渐变流动，这种堰流即为宽顶堰流。河（渠） 道上修建的水闸，工程中有拦沙等要求时，闸底板常做成有坎宽顶堰，当闸门全开时， 水流不受闸门的控制，属于有坎宽顶堰流，见图 6-4（a）、（b）。
状。无侧收缩、自由出流矩形薄壁堰的流量按式（6-1）计算。 应用薄壁堰量测流量时，为了便于根据直接测出的水头计算流量，常把行近流速的 影响包括在流量系数中，流量公式为
Q m0 B 2 g H
3/ 2
（6-3）
式（6-3）中：m0—包括行近流速水头的流量系数，可按下列经验公式计算：
4
m0
2 0.001 H 0 . 605 0 . 08 3 H P 1
3/ 2 Q Av1 kH 0bv1 k b 1 2 g H 0
令： m k 1 ，称为堰的流量系数， 则：