明渠流动综合性实验 实验目的 观察明渠流动的水面曲线,理解流动原理;测定自由式宽顶堰的流量系数,验证经验 公式;验证水跃共轭水深、长度及能量损失的计算公式 实验设备 双变坡水槽;三角形量水堰及水位测针;实用堰;宽顶堰 实验原理 1.根据三角形量水堰水位测针的读数,确定水槽流量 直角三角堰,有下列经验公式 当H=005~025m时,O=14H25 当H=0250.55m时,O=1343HP24 式中,H均以米计,流量Q的单位均为m3 2.明渠水面曲线 棱柱体明渠恒定渐变流中水深沿程变化的微分方程式 0- B 在Q、、n一定的棱柱形渠道中,断面参数K、B、A均为水深的函数,因此上述微分 方程积分后,即可得水面曲线h=f(s)。在对水面曲线进行计算之前,有必要对其类型和变 化趋势作出定性分析。 分析结果:各种坡度的渠道中,水面曲线的类型共有12种。 3.水跃 对矩形断面明渠,临界水深计算 h 上式中 Q 为单宽流量 水跃的基本计算包括共轭水深的计算、水跃能量损失的计算和水跃跃长的计算。 (1)水跃共轭水深的计算 在共轭水深h′、h"中已知一个,求另一个。其依据是水跃方程。对于矩形断面明渠, 从水跃方程中可直接解出共轭水深
明渠流动综合性实验 一、 实验目的 观察明渠流动的水面曲线，理解流动原理；测定自由式宽顶堰的流量系数，验证经验 公式；验证水跃共轭水深、长度及能量损失的计算公式。 二、 实验设备 双变坡水槽；三角形量水堰及水位测针；实用堰；宽顶堰 三、 实验原理 1． 根据三角形量水堰水位测针的读数，确定水槽流量 直角三角堰，有下列经验公式： 当 H = 0.05~0.25m 时，Q = 1.4H 2.5 当 H = 0.25~0.55m 时，Q = 1.343H 2.47 式中，H 均以米计，流量 Q 的单位均为 m 3 /s。 2． 明渠水面曲线 棱柱体明渠恒定渐变流中水深沿程变化的微分方程式 3 2 2 2 1 / A B g Q i Q K ds dh 在 Q、i、n 一定的棱柱形渠道中，断面参数 K、B、A 均为水深的函数，因此上述微分 方程积分后，即可得水面曲线 h f (s) 。在对水面曲线进行计算之前，有必要对其类型和变 化趋势作出定性分析。 分析结果：各种坡度的渠道中，水面曲线的类型共有 12 种。 3． 水跃 对矩形断面明渠，临界水深计算 3 2 3 2 2 g q gb Q hk 上式中， b Q q 为单宽流量。 水跃的基本计算包括共轭水深的计算、水跃能量损失的计算和水跃跃长的计算。 （1）水跃共轭水深的计算 在共轭水深 h′、h″中已知一个，求另一个。其依据是水跃方程。对于矩形断面明渠， 从水跃方程中可直接解出共轭水深
h h=2\ (2)水跃能量损失的计算 水跃区的旋滚和强烈脉动掺混引起了较大的能量损失,有时可达跃前断面能量的70%。 对平坡矩形断面渠道,可证明 (3)水跃跃长的计算 水跃区中,水流紊动强烈,底部流速很大。因此,河、渠底部一般设置护坦加以保护 此外,在跃后段需铺设长度约为(2-30)L的海漫以免底部冲刷破坏。可见,水跃长度 L的计算具有重要的实际意义。但由于水跃现象十分复杂,理论研究尚不充分,在工程设计 中,水跃长度可通过实验确定或用经验公式估算 矩形明渠公式 L1=69(b-h) L1=94h(F1-1) 4.堰流 实用堰流在无侧收缩、自由式出流情况下,过堰流量可根据式 O=mb2gHb 式中的流量系数m与堰壁形状和尺寸有关,其精确数值应由模型实验确定。初步估算时 折线型堰m=0.35~042;曲线型非真空堰,m≈045;曲线型真空堰m=0.50。 因堰顶全水头中包含有行近流速水头2,而行近流速vn=9,所以用上 2 (H+P)B 式计算流量Q时,应采用迭代计算方法。 自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算公式同上。式中流量系数m与堰的进口形式和相对 高度有关,可按下列经验公式计算: 当P≥3时,直角进口堰m=032;圆角进口堰m=036。 当P<3时,直角进口堰 m=0.32+0.01 046+0.75P H 对圆角进口堰
1 8 1 2 1 8 1 2 3 2 3 2 gh h q h gh h q h （2）水跃能量损失的计算 水跃区的旋滚和强烈脉动掺混引起了较大的能量损失，有时可达跃前断面能量的 70%。 对平坡矩形断面渠道，可证明 h h h h h e w 4 ( ) 3 （3）水跃跃长的计算 水跃区中，水流紊动强烈，底部流速很大。因此，河、渠底部一般设置护坦加以保护。 此外，在跃后段需铺设长度约为（2.5~3.0）Lj 的海漫以免底部冲刷破坏。可见，水跃长度 Lj 的计算具有重要的实际意义。但由于水跃现象十分复杂，理论研究尚不充分，在工程设计 中，水跃长度可通过实验确定或用经验公式估算。 矩形明渠公式 L h h j 6.9 9.4 1 Lj h Fr1 4． 堰流 实用堰流在无侧收缩、自由式出流情况下，过堰流量可根据式 1.5 Q mb 2gH0 式中的流量系数 m 与堰壁形状和尺寸有关，其精确数值应由模型实验确定。初步估算时， 折线型堰 m=0.35~0.42；曲线型非真空堰，m≈0.45；曲线型真空堰 m=0.50。 因堰顶全水头 H0中包含有行近流速水头 g v 2 2 0 0 ，而行近流速 H p B Q v ( ) 0 ，所以用上 式计算流量 Q 时，应采用迭代计算方法。 自由式无侧收缩宽顶堰的流量计算公式同上。式中流量系数 m 与堰的进口形式和相对 高度 H p 有关，可按下列经验公式计算： 当 H p ≥3 时，直角进口堰 m=0.32；圆角进口堰 m=0.36。 当 H p <3 时，直角进口堰 H p H p m 0.46 0.75 3 0.32 0.01 对圆角进口堰
3-P m=0.36+0.01 12+15D 当下游水位高出堰顶高度Δ足够大时,将使堰顶水流由自由式堰流的急流(h1hk)转 变为缓流,形成淹没式宽顶堰,降低过水能力。实验证明,宽顶堰的淹没标准是 △=h-p>08H 淹没式宽顶堰流的流动图形如图所示。进口水面降落,但堰顶水深h∽h,即堰上水流 为缓流。堰尾水面壅高z′=Δ-h2,z'称为动能恢复。 四、实验内容及步骤 1.根据三角形量水堰水位测针的读数,确定水槽流量。 2.调节水槽坡度,观察水面曲线的各种类型。 3.量取实用堰的宽度、高度,堰前水头,计算自由式实用堰的流量系数。 4.观察实用堰下游不同条件下发生的远驱式水跃、临界水跃及淹没式水跃。在临界式情 况下,测量跃前水深和跃后水深及水跃长度,并和公式计算值进行误差比较。计算水 跃能量损失。 5.量取宽顶堰的宽度、高度,堰前水头,计算自由式宽顶堰的流量系数,并和公式计算 值进行误差比较。抬高下游水位,观察淹没式宽顶堰流现象 五、数据处理 根据实验内容及要求,学生自己设计记录和计算表格。 六、讨论问题 1.影响水面曲线的主要因素有哪些? 2.如何控制各种水跃的形成?水工建筑物应采用那种水跃?那种水跃应当避免? 3.影响宽顶堰流量系数的因素有哪些?比较自由式、淹没式宽顶堰流的水流现象。 4.通过本次实验,针对明渠流动现象及原理,浅谈你的认识
H p v0 h2 k k z ΄ p ΄ Δ h H p H p m 1.2 1.5 3 0.36 0.01 当下游水位高出堰顶高度Δ足够大时，将使堰顶水流由自由式堰流的急流（h1hk，即堰上水流 为缓流。堰尾水面壅高 h2 z ， z 称为动能恢复。 四、 实验内容及步骤 1． 根据三角形量水堰水位测针的读数，确定水槽流量。 2． 调节水槽坡度，观察水面曲线的各种类型。 3． 量取实用堰的宽度、高度，堰前水头，计算自由式实用堰的流量系数。 4． 观察实用堰下游不同条件下发生的远驱式水跃、临界水跃及淹没式水跃。在临界式情 况下，测量跃前水深和跃后水深及水跃长度，并和公式计算值进行误差比较。计算水 跃能量损失。 5． 量取宽顶堰的宽度、高度，堰前水头，计算自由式宽顶堰的流量系数，并和公式计算 值进行误差比较。抬高下游水位，观察淹没式宽顶堰流现象。 五、 数据处理 根据实验内容及要求，学生自己设计记录和计算表格。 六、 讨论问题 1． 影响水面曲线的主要因素有哪些？ 2． 如何控制各种水跃的形成？水工建筑物应采用那种水跃？那种水跃应当避免？ 3． 影响宽顶堰流量系数的因素有哪些？比较自由式、淹没式宽顶堰流的水流现象。 4． 通过本次实验，针对明渠流动现象及原理，浅谈你的认识