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1、工程流体力学放映章孔口管嘴第1页，本讲稿共58页学习重点：学习重点：掌握掌握孔口、管嘴孔口、管嘴恒定流计算及相关概念；恒定流计算及相关概念；理解闸孔出流计算；理解闸孔出流计算；了解消能措施。了解消能措施。掌握宽顶堰水力计算；掌握宽顶堰水力计算；第2页，本讲稿共58页1、孔口出流、孔口出流 液体经容器壁上所开小孔流出的水力液体经容器壁上所开小孔流出的水力现象，称孔口出流。现象，称孔口出流。2、管嘴出流、管嘴出流 液体经容器壁上所接短管流出的水力液体经容器壁上所接短管流出的水力现象，称管嘴出流。现象，称管嘴出流。3、闸孔出流、闸孔出流是一种大孔口出流。是一种大孔口出流。一、概念一、概念第3页，本讲
2、稿共58页4、堰流、堰流现现象）可按堰流计象）可按堰流计算。算。当孔口高度与上游水头之比为当孔口高度与上游水头之比为 0.75eH时，（可能出现堰流时，（可能出现堰流 eH第4页，本讲稿共58页（3）能量损失计算式。）能量损失计算式。（1）能量方程；）能量方程；（2）总流的连续性方程；）总流的连续性方程；二、任务：二、任务：计算过流量计算过流量Q。三、依据：三、依据：第5页，本讲稿共58页一、孔口出流分类一、孔口出流分类1、按、按 e与与H 的关系：的关系：eH小孔口：小孔口：大孔口：大孔口：111恒定薄壁孔口出流恒定薄壁孔口出流第6页，本讲稿共58页2、按孔口的作用水头是否稳定：、按孔口的作
3、用水头是否稳定：自由式出流；自由式出流；淹没式出流。淹没式出流。厚壁孔口出流。厚壁孔口出流。薄壁孔口出流；薄壁孔口出流；恒定孔口出流；恒定孔口出流；非恒定孔口出流。非恒定孔口出流。3、按出流后周围的介质情况：、按出流后周围的介质情况：4、按孔壁对出流的影响：、按孔壁对出流的影响：第7页，本讲稿共58页H第8页，本讲稿共58页CgHvf f=20gHAQm m=20efm=CAAe=CCaxf+=1其中：其中：二、薄壁小孔口自由出流二、薄壁小孔口自由出流1、流量公式：、流量公式：=0.970.98。=0.600.62；=0.64；对薄壁圆形完善收缩小孔口：对薄壁圆形完善收缩小孔口：第9页，本讲稿
4、共58页（3）孔口的位置（对收缩系数有直接的影响）。孔口的位置（对收缩系数有直接的影响）。（1）孔口的形状；孔口的形状；（2）孔口的边缘情况；孔口的边缘情况；3、几种孔口的收缩形式、几种孔口的收缩形式自阅自阅全部收缩全部收缩不全部收缩不全部收缩完善收缩、完善收缩、不完善收缩不完善收缩2、影响孔口出流的边界因素：、影响孔口出流的边界因素：aL3aL3a第10页，本讲稿共58页可将其分成无数的小孔口，再积分。可将其分成无数的小孔口，再积分。三、薄壁大孔口自由出流三、薄壁大孔口自由出流1、流量公式：、流量公式：与小孔口不同，与小孔口不同，见表见表111第11页，本讲稿共58页1、流量公式：、流量公式
5、：2、自由式与淹没式对比：、自由式与淹没式对比：1公式形式相同；公式形式相同；2、基本相同，但基本相同，但 H0不同；不同；3自由出流与孔口的淹没深度有关，自由出流与孔口的淹没深度有关，淹没出流与上、下游水位差有关。淹没出流与上、下游水位差有关。四、薄壁孔口淹没出流四、薄壁孔口淹没出流第12页，本讲稿共58页Hv0zv0v2H0=H+2gv02自由式：自由式：淹没式：淹没式：H0=z+2gv022gv22第13页，本讲稿共58页rm2pAQD=五、气体孔口出流（五、气体孔口出流（属淹没式属淹没式）pD孔口前后气体的压强差；孔口前后气体的压强差；气体密度气体密度。第14页，本讲稿共58页v1、孔
6、板流量计；、孔板流量计；2、薄壁小孔口。、薄壁小孔口。六、应用举例六、应用举例第15页，本讲稿共58页见见p120112恒定管嘴出流恒定管嘴出流1、管嘴的几种连接形式：、管嘴的几种连接形式：2、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用，、流体经圆柱形管嘴或扩张管嘴时，由于惯性作用，在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增在管中某处形成收缩断面，产生环行真空，从而增加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。加了水流的抽吸力，使其出流量比孔口有所增加。第16页，本讲稿共58页1、自由式出流：、自由式出流：一、圆柱形外接管嘴出流一、圆柱形外接管嘴出流gvdlgvgvgvgvHc2222222
7、22221222200lxxaa+=+如图所示，列能量方程：如图所示，列能量方程：2c2v0Hcv（1）推导公式：）推导公式：第17页，本讲稿共58页2c2v0Hcv1经孔口的局部损失；经孔口的局部损失；v2vC=02扩大的损失扩大的损失ACA=0其中：其中：第18页，本讲稿共58页（2）公式：）公式：022gHvf=02gHAQm=82.0=fm（3）与孔口的对比：与孔口的对比：1公式形式相同，但系数不同：公式形式相同，但系数不同：孔口：孔口：=0.62 =0.97 =0.64管嘴：管嘴：=0.82 =12 H0相同时，若相同时，若A 也相同，则管嘴出流是孔口出流也相同，则管嘴出流是孔口出流
8、量的量的1.32倍。倍。第19页，本讲稿共58页gvgvpgvpaccc2222222222+=+xagag（4）外接管嘴真空外接管嘴真空1对对CC，22 列方程：列方程：gvvc2)(22-=2hj2=xv222g2c2v0Hcv可作为突然扩可作为突然扩大处理大处理第20页，本讲稿共58页=075.0Hpvg g在在 CC处形处形成成 0.75H0 真真空度。空度。2真空计算：真空计算：H0 9 mH0O水柱；水柱；L（34）d。水柱时，管内液体水柱时，管内液体pv 7m H0O实验证明：实验证明：将气化，吸入空气，破坏真空。将气化，吸入空气，破坏真空。（5）圆柱形外接管嘴圆柱形外接管嘴正常
9、工作的条件：正常工作的条件：第21页，本讲稿共58页2、淹没出流：、淹没出流：02 gHvf f=02 gHAQm m=（1）公式：公式：第22页，本讲稿共58页gvHHpv275.022220ag-=D=02 pAQrmccHH2v0v23、气体经管嘴出流：、气体经管嘴出流：D0p全压差全压差（2）CC处的真空：处的真空：三、其它类型的管嘴出流三、其它类型的管嘴出流基本公式同上，各基本公式同上，各系数可查表系数可查表112。第23页，本讲稿共58页解决的问题：解决的问题：只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。只对作用液面缓慢变化的情况进行讨论。充水、泄水所需时间问题。充水、泄水所需时间问题。1
10、、公式推导：、公式推导：将液面高度的变化划分成无数微小时将液面高度的变化划分成无数微小时段，每一微小时段作恒定流处理。段，每一微小时段作恒定流处理。W-=dHdV=dtQ dtgHA 2m流出体积流出体积液面减少的体积液面减少的体积113非恒定孔口、管嘴出流非恒定孔口、管嘴出流第24页，本讲稿共58页-W=2221HHgAtmmax11222QVgHAHt=W=m2、充、泄水时间：、充、泄水时间：容器中无液体流入的自由出容器中无液体流入的自由出流或上游恒定，下游液面改流或上游恒定，下游液面改变的淹没出流。变的淹没出流。3、容器放空时、容器放空时20H=H1H2第25页，本讲稿共58页114闸孔
11、出流闸孔出流 一、简介一、简介1、闸门底的类型：、闸门底的类型：平平坎坎宽顶堰坎宽顶堰坎实用堰坎实用堰坎第26页，本讲稿共58页2、闸门的型式：、闸门的型式：矩形平板闸门；矩形平板闸门；弧形闸门弧形闸门3、闸孔的出流型式：、闸孔的出流型式：自由式；自由式；淹没式淹没式4、闸孔出流与堰流的判别标准：、闸孔出流与堰流的判别标准：0.65eH则为堰流；则为堰流；若若（1）平坎、宽顶堰坎：）平坎、宽顶堰坎：（2）实用堰坎：）实用堰坎：则为堰流。则为堰流。0.75eH若若第27页，本讲稿共58页5、影响闸孔出流的因素：、影响闸孔出流的因素：闸门的型式；闸门的型式；闸孔的尺寸；闸孔的尺寸；闸前的水头；闸前
12、的水头；下游水位等。下游水位等。第28页，本讲稿共58页二、闸孔出流计算二、闸孔出流计算AAc=eehc=eeHgBeQ-=e em m)(201、自由式闸孔出流、自由式闸孔出流二维、平坎、二维、平坎、矩形闸门矩形闸门Hcchte系数见表系数见表113。0.951.0(平坎平坎)第29页，本讲稿共58页)(20hHgBeQ-=m2、淹没式、淹没式 Hehchth二维、平坎、二维、平坎、矩形闸门矩形闸门、B、e同同自由式。自由式。h 由动量方由动量方程推导，程推导，见式见式1136第30页，本讲稿共58页3、自由式、淹没式判别标准：、自由式、淹没式判别标准：（1）自由式：）自由式：不发生淹没式水
13、跃。不发生淹没式水跃。（2）淹没式：）淹没式：发生淹没式水跃。发生淹没式水跃。hc ht发生淹没式水跃的条件发生淹没式水跃的条件:hc ht第31页，本讲稿共58页（2）判断是自由式、淹没式？）判断是自由式、淹没式？（1）判断是否闸孔出流？）判断是否闸孔出流？5、举例。、举例。4、闸孔水力计算应注意的问题：、闸孔水力计算应注意的问题：第32页，本讲稿共58页115堰堰流流1、堰、堰一种既可蓄又可泄的溢流设施。一种既可蓄又可泄的溢流设施。2、堰流、堰流水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面连续光滑跌落的现象。连续光滑跌落的现象。第33页，本讲稿共58页宽顶堰：宽
14、顶堰：H0.67薄壁堰：薄壁堰：实用堰：实用堰：H2.50.672.53、堰的分类：、堰的分类：（1）依据堰顶厚度：依据堰顶厚度：H第34页，本讲稿共58页（2）依据水流行近堰体的条件：依据水流行近堰体的条件：1侧收缩堰；侧收缩堰；2无侧收缩堰。无侧收缩堰。Bb第35页，本讲稿共58页1正堰正堰vv3侧堰侧堰v2斜堰斜堰（3）依据堰与渠道中水流的方向：依据堰与渠道中水流的方向：第36页，本讲稿共58页（4）依据堰口的形状：依据堰口的形状：1三角堰三角堰3梯形堰梯形堰2矩形堰矩形堰1自由式；自由式；2淹没式。淹没式。4流线形堰流线形堰（5）依据下游水位是否影响泄流：依据下游水位是否影响泄流：第3
15、7页，本讲稿共58页一、薄壁堰一、薄壁堰1、完善堰流与非完善堰流：、完善堰流与非完善堰流：当堰上水头当堰上水头H 较小时，水舌将贴壁而下，较小时，水舌将贴壁而下，形成不完善堰流，影响泄流能力；当形成不完善堰流，影响泄流能力；当H 增加增加时，水舌离开壁面，但如果水舌与壁面间没时，水舌离开壁面，但如果水舌与壁面间没有良好的通风，仍会出现不完善堰流，故在有良好的通风，仍会出现不完善堰流，故在薄壁堰中应保持水舌下通风充分，以使其为薄壁堰中应保持水舌下通风充分，以使其为完善堰流。完善堰流。第38页，本讲稿共58页（1）自由式）自由式（完全堰完全堰）2、矩形薄壁堰、矩形薄壁堰完全堰完全堰无侧收缩、自由式
16、、水舌下通风、无侧收缩、自由式、水舌下通风、矩形、薄壁、正堰。矩形、薄壁、正堰。2有侧收缩堰：有侧收缩堰：1完全堰完全堰:m0式式1144 m式式1145m0式式1146第39页，本讲稿共58页堰下游水面高于堰顶；堰下游水面高于堰顶；1必要条件：必要条件：hs 02充分条件：充分条件：Zp1真空堰真空堰第43页，本讲稿共58页2非真空堰非真空堰堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水舌下缘与壁面曲线相吻合，保证在设计水舌下缘与壁面曲线相吻合，保证在设计水头下达到最大过流量，头下达到最大过流量，水流作用于液面上水流作用于液面上的压强近似大气压。的压强近似大气压。判
17、别淹没条件同薄壁堰。判别淹没条件同薄壁堰。2、计算式、计算式（1）自由式无侧收缩：）自由式无侧收缩：第44页，本讲稿共58页1m曲：曲：0.430.50折：折：0.350.43（2）有侧收缩：）有侧收缩：（3）淹没式：）淹没式：真真：0.5；非非：0.452式式 1156。3其它分别查有关表格。其它分别查有关表格。第45页，本讲稿共58页三、宽顶堰三、宽顶堰小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等一般都属于宽顶堰水流计算。一般都属于宽顶堰水流计算。1、水力现象分析：、水力现象分析：（1）当）当H42.5时，堰顶水面只有一次跌落，时，堰顶水面只有一次跌落，堰坎
18、末端偏上游处的水深为临界水深堰坎末端偏上游处的水深为临界水深h cr。第46页，本讲稿共58页工程中常见的是第二种宽顶堰工程中常见的是第二种宽顶堰时，堰顶水面出现两次跌落，时，堰顶水面出现两次跌落，H104同实用堰；同实用堰；3表表117。1m查表查表118；2表表117。有坎宽顶堰：有坎宽顶堰：无坎宽顶堰：无坎宽顶堰：1m式式1159，1160；3已考虑进已考虑进m，不单算。，不单算。第48页，本讲稿共58页3、淹没判别的标准：、淹没判别的标准：1必要条件：必要条件：h s (0.750.85)H 0 h s 0 ；2充分条件：充分条件：或或 h s(1.251.35)h cr三类水力计算，
19、三类水力计算，分别为计算：分别为计算：Q，H，B四、堰流水力计算四、堰流水力计算薄壁堰、薄壁堰、实用堰、实用堰、宽顶堰宽顶堰第49页，本讲稿共58页116水工建筑物下游水流衔接与消能水工建筑物下游水流衔接与消能一、简介一、简介1、消能、消能消除或缩短泄水建筑物下游急流段的措施，简称消能。消除或缩短泄水建筑物下游急流段的措施，简称消能。2、消能的设计原则、消能的设计原则 在控制的局部流段内，增加水流的紊乱、在控制的局部流段内，增加水流的紊乱、消减水流流速，消除对河床的有害能量。消减水流流速，消除对河床的有害能量。3、消能的方法、消能的方法:底流式消能、底流式消能、面流式消能、面流式消能、挑流式、
20、挑流式、人工加糙、人工加糙、单级跌水或多级跌水。单级跌水或多级跌水。第50页，本讲稿共58页（1）底流式消能：）底流式消能：特点：特点：水流的主流在渠底，有消力池或消力槛。水流的主流在渠底，有消力池或消力槛。设计原则：设计原则：在消力池或消力槛前造成淹没式水跃，以利用水跃消能。在消力池或消力槛前造成淹没式水跃，以利用水跃消能。适用范围：适用范围：多用于软土地基上的中、低水头泄水建筑物下游。多用于软土地基上的中、低水头泄水建筑物下游。（2）面流式消能：）面流式消能：特点：特点：将主流引向下游水面，并在河床与表层水之间形成旋涡区将主流引向下游水面，并在河床与表层水之间形成旋涡区以消耗能量。以消耗能
21、量。利用平顶或小挑角鼻坎，将游急流送到下游水流表面。为利用平顶或小挑角鼻坎，将游急流送到下游水流表面。为了造成面流式消能，多用平顶或小挑角鼻坎，并将鼻坎顶了造成面流式消能，多用平顶或小挑角鼻坎，并将鼻坎顶端造成戽勺形，使水流在戽勺内形成水跃，在坎后形成面端造成戽勺形，使水流在戽勺内形成水跃，在坎后形成面流，在戽内、跌坎下游、下游水面形成三个大旋涡以消能。流，在戽内、跌坎下游、下游水面形成三个大旋涡以消能。故也称戽流消能。故也称戽流消能。设计原则：设计原则：第51页，本讲稿共58页优点：优点：对河床冲刷小，可节约防护工程投资。对河床冲刷小，可节约防护工程投资。缺点：缺点：会引起下游水位激烈波动，
22、对岸坡的稳定及航运不利。会引起下游水位激烈波动，对岸坡的稳定及航运不利。下游水深较大且稳定的水流。下游水深较大且稳定的水流。适用范围：适用范围：（3）挑流式：）挑流式：利用下泄水流具有的高流速，将水流挑射到远离泄水建筑利用下泄水流具有的高流速，将水流挑射到远离泄水建筑物的下游河床中。因挑射水流受空气阻力影响，水股发生物的下游河床中。因挑射水流受空气阻力影响，水股发生分散，射入下游河床后，与下游水流剧烈混掺，大量的下分散，射入下游河床后，与下游水流剧烈混掺，大量的下泄能量被消耗掉，从而降低流速，保护河床。泄能量被消耗掉，从而降低流速，保护河床。适用范围：适用范围：岩石地基上的中、高水头泄水构筑物
23、下游。岩石地基上的中、高水头泄水构筑物下游。（4）人工加糙：）人工加糙：在急流槽或在下游局部河床中，采用人工增加渠道的粗在急流槽或在下游局部河床中，采用人工增加渠道的粗糙度以降低流速，达到消能。糙度以降低流速，达到消能。第52页，本讲稿共58页（5）单级跌水或多级跌水：）单级跌水或多级跌水：多用于地形较陡的河渠。多用于地形较陡的河渠。单级跌水的组成：单级跌水的组成：进口渠槽进口渠槽消能设施消能设施跌坎跌坎消力池消力池消力槛消力槛综合消力池等综合消力池等二、底流衔接与消能二、底流衔接与消能以实用堰为例以实用堰为例水流由堰顶溢流而下，势能减小，水流由堰顶溢流而下，势能减小，动能增加，在动能增加，在cc 处形成收缩断面，处形成收缩断面，cc 处的急流向下游缓流过渡，产处的急流向下游缓流过渡，产生水跃。生水跃。第53页，本讲稿共58页1、水跃的衔接形式：、水跃的衔接形式：（1）远驱式水跃：远驱式水跃：hc hct，跃前急流段较长，河床需加固段加长；跃前急流段较长，河床需加固段加长；（2）淹没式水跃：淹没式水跃：hc 宽顶堰进口：宽顶堰进口：2实用堰口：实用堰口：计算举例计算举例第58页，本讲稿共58页