第十章明渠流和闸孔出流及堰流

《流体力学》教学大纲一、课程名称1. 中文名：流体力学2. 英文名：Fluid Mechanics二、课程管理院（系）三、大纲说明1.适用专业、层次环境工程专业，本科。

2.学时与学分数总学时为64学时，总学分为3学分。

3.课程的性质、目的与任务流体力学是环境工程专业及其相近专业的一门学科基础课程，属工程科学，是用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。

研究方法主要是因次论指导下的实验研究法、数学模型法、参数归并和过程分解与组合。

本课程强调工程观点、定量运算、实验技能、设计能力和模拟优化能力的训练，强调在理论和实际的结合中，提高分析问题、解决问题的能力。

本课程理论教学主要研究连续性方程、能量方程和动量方程的基础理论及具体的工程应用。

通过本课程的学习，使学生熟悉流体力学的基本概念和基本方程，掌握在环境工程和科学领域中的应用途径和处理方法，具备解决环境工程中流体力学问题的能力。

4. 先行、后续课程本课程是学生在具备了必要的高等数学、物理、理论力学等基础知识之后必修的技术基础课，是水污染控制工程、大气污染控制工程、给排水工程、水控课程设计、毕业设计的基础。

5.考试方式与成绩评定考试方式：笔试（闭卷）。

成绩评定：笔试70％，平时成绩30％。

四、纲目（上册）1绪论（3学时）[教学目的]了解流体力学的研究内容及发展简史，掌握流体的主要物理性质和流体的连续介质模型，掌握流体的主要物理性质和作用在流体上的力。

[教学重点与难点]流体的物理性质；流体的连续介质模型。

[教学时数]3学时[教学方法与手段]在多媒体教室采用电子课件进行课堂讲授。

本章内容是学生学习流体力学这门课的基础，是流体力学的“门槛”。

因此，必须联系生产及生活实际，使学生首先在思想上明确认识，对这门课产生兴趣，使学生认识到流体力学理论在生产和生活实际中的应用是无所不在的。

[教学内容]1.1工程流体力学的任务及其发展简史1.2连续介质假设，流体的主要物理性质连续介质假设；流体的主要物理性质1.3作用在流体上的力表面力；质量力1.4工程流体力学的研究方法2 流体静力学[教学目的]理解和掌握流体静压强及其特性；了解流体平衡微分方程式，理解其物理意义；掌握流体的绝对和相对平衡；掌握流体静压强的分布规律及点压强的计算（利用等压面），掌握流体静压强的量测和表示方法；熟练掌握作用于平面壁和曲面壁上流体总压力的计算。

堰流及闸孔出流水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。

例如，溢流坝、 水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。

堰是顶部过流的水工建筑物。

图1、2中过堰水流均未受闸门控制影响闸孔出流：过堰水流受闸门控制时，就是孔流堰流和闸孔出流是两种不同的水流现象。

它们的不同点在于堰流的水面线为一条光滑曲线且过水能力强，而孔流的闸孔上、下游水面曲线不连续且过水能力弱。

它们的共同点是：壅高上游水位；在重力作用下形成水流运动；明渠急变流在较短范围内流线急剧弯曲，有离心力；出流过程的能量损失主要是局部损失。

相对性： 堰流和孔流是相对的，堰流和孔流取决于闸孔相对开度，闸底坎及闸门(或胸墙) 型式以及上游来流条件（涨水或落水）。

图4 闸孔出流图3 堰流及闸孔出流平顶堰： e /H ≤0.65 孔 流 曲线型堰： e/H ≤ 0.75 孔 流 e/H ＞ 0.75 堰 流e/H ＞0.65 堰 流式中：e 为 闸孔开度； H 为 堰上水头堰流及孔流是水利工程中常见的水流现象，其水力计算的主要任务是研究过水能力。

它包括堰闸出流水力特性和堰闸水力计算。

第一节 堰流的分类及水力计算基本公式一、堰流的分类水利工程中，常根据不同建筑材料，将堰作成不同类型。

例如，溢流坝常用混凝土或石料作成较厚的曲线或者折线型；实验室量水堰一般用钢板、木板作成薄堰壁。

堰外形、厚度不同，能量损失及过水能力不同。

堰前断面：堰上游水面无明显下降的0-0 断面 堰上水头：堰前断面堰顶以上的水深，用H 表示 行进流速：堰前断面的流速称为行进流速，用v 0 表示 堰前断面距离上游壁面的距离：L =（3～5) H研究表明，流过堰顶的水流型态随堰坎厚度与堰顶水头之比δ /H 而变，工程上，按δ与H 的大小将堰流分薄壁堰、实用堰、宽顶堰。

1. 薄壁堰：δ/H ＜0.67当水流接近堰顶，流线收缩，流速加大，自由表面逐渐下降HP 1v 0111v 1P 2δ图5 薄壁堰越过堰顶的水舌形状不受堰厚影响，水舌下缘与堰顶为线接触，水面呈降落线。

第八章 孔口（管嘴）出流、堰顶溢流和闸孔出流1、当 H =2 m ，δ=0.6 m ，如图所示的的建筑物为实用堰。

( )2、当水头及其它条件相同时，薄壁堰的流量大于实用堰的流量。

( )3、只要下游 水位超过宽顶堰堰顶，一定是淹没出流。

( )4、两个WES 型实用堰，堰高大于三倍水头，它们的设计水头不等，即d2d1H H ≠，但泄水时d11H H =，d22H H =，则它们的流量系数 m 1=m 2。

( )5、无侧收缩与收缩的实用堰，当水头、堰型及其它条件相同时，后者通过的流量比前者大。

( )6、锐缘平面闸门的垂向收综系数'ε 随相对开度He的增大而 ( )(1) 增大 (2) 减小 (3) 不变 (4) 不定7、当实用堰水头 H 大于设计水头 H d 时，其流量系数 m 与设计流量系数 m d 的关系是 ( ) (1) m =m d (2) m > m d (3) m < m d (4) 不能确定8、平底渠道中弧形闸门的闸孔出流，其闸下收缩断面水深 h c0 小于下游水跃的跃前水深 h 1，则下游水跃的型式为 ( )(1) 远离式水跃 (2) 临界式水跃 (3) 淹没式水跃 (4)无法判断9、有两个 WES 型实用堰(高堰)，它们的设计水头分别为 H 1=H d1，H 2=H d2，则它们的流量系数 m 1 与 m 2 之间的关系为 ( ) (1) m 1 > m 2 (2) m 1 < m 2 (3) m 1=m 2 (4)无法确定10、WES 型实用堰 (高堰)，当水头等于设计水头 H d 时，其流量系数 m 等于 ( ) (1) 0.385 (2) 0.49 (3) 0.502 (4) 0.6511、闸孔自由出流的流量公式为 ( ) (1) 230v 2H g mnb q ε= (2) 23v 2H g mnb q σε=(3) )(20v e H g nbe q εμ'-= (4) )(20v e H g mnbe q ε'-=12、宽顶堰的总水头 H 0=2 m ，下游水位超过堰高度 h a =1.0 m ，此种堰流为_______________出流。

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。

第十章堰流堰流是明渠缓流由于流动边界急剧变化而引起的明渠急变流现象.本章主要介绍各类堰流的水力特征、基本公式、应用特点及水力计算方法.概述一、堰和堰流堰：在明渠缓流中设置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，这障壁就称为堰。

堰流（weir flow）:缓流越过阻水的堰墙溢出流动的局部水流现象称为堰流。

选择：堰流特定的局部现象是： A。

缓流通过障壁； B.缓流溢过障壁; C。

急流通过障壁； D.急流溢过障壁.研究堰流的主要目的:探讨流经堰的流量Q及与堰流有关的特征量之间的关系.堰流的基本特征量（图10—1)1。

堰顶水头H；2。

堰宽b；3.上游堰高P、下游堰高P1；图10—14.堰顶厚度δ；5。

上、下水位差Z；6.堰前行近流速υ0.二、堰的分类1.根据堰壁厚度d与水头H的关系，如图10—2：图10-2图10-32。

根据上游渠道宽度B与堰宽b的关系,图10-4：3.根据堰与水流方向的交角：图10-44.按下游水位是否影响堰流性质：5。

按堰口的形状：堰可分为矩形堰、梯形堰、三角堰.三、堰流及孔流的界限1。

堰流：当闸门启出水面,不影响闸坝泄流量时。

孔流：当闸门未启出水面，以致影响闸坝泄流量时。

2。

堰流和孔流的判别式（1)宽顶堰式闸坝堰流：e/H ≥0。

65 孔流：e/H <0.65（2)实用堰式闸坝(闸门位于堰顶最高点时）堰流：e/H ≥0.75 孔流: e/H 〈0.75式中：e——闸门开启高度； H—-堰孔水头。

判断:从能量角度看，堰流和闸孔出流的过程都是一种势能转化为动能的过程。

对第一节堰流的基本公式一、堰流基本公式推导（图10-7）由大孔口的流量公式(7-6)及，并考虑上游行近流速的影响，令图10—6得堰流的基本公式：（10-1)式中:m-—堰流流量系数，m=。

二、堰流公式图10—7若考虑到侧收缩影响及淹没影响,则堰流公式为：（10-2）(10-3)式中：——淹没系数，≤1.0；-—侧收缩系数，≤1。

869《水力学》考试大纲一、考试的基本要求掌握水力学的基本概念、基本原理及基本计算，掌握实验的基本技能，并具有一定的分析、解决本专业涉及水力学问题的能力。

二、考试方式和考试时间闭卷考试，总分150，考试时间为3小时。

三、参考书目《工程流体力学》（水力学）（第三版）上册、下册，闻德荪主编，高等教育出版社四、试题类型：主要包括选择题、填空题、作图题、计算题、综合案例题等类型，并根据每年的考试要求做相应调整。

五、考试内容及要求第一章绪论1.工程流体力学的任务及其发展简史2. 连续介质假设·流体的主要物理性质3. 作用在流体上的力4.工程流体力学的研究方法基本要求：了解流体力学的任务及发展简史；理解连续介质假设含义；掌握流体的主要物理力学性质；理解流体的粘滞性、掌握牛顿内摩擦定律、掌握作用于流体上的质量力和表面力；了解工程流体力学的研究方法。

第二章流体静力学1．流体静压强特性，2．流体的平衡微分方程——欧拉平衡微分方程3．流体静力学基本方程4．液体的相对平衡5．压缩气体中的压强分布规律6．作用在平面上的液体总压力7．作用在曲面上的液体总压力8．力和潜体及浮体的稳定基本要求：熟练掌握静压强的特性，静压强三种计量单位和表示方法，相对平衡压强分布规律，平面及曲面上静水总压力大小、方向及作用点，压力体的概念及绘制。

第三章流体运动学1．描述流体运动的两种方法2．描述流体运动的一些基本概念3．流体运动的类型4．流体运动的连续性方程基本要求：掌握拉格朗日方法和欧拉方法的异同，流量、断面平均速度等概念，均匀流、恒定流特点，流线的特点。

掌握连续性方程及其应用。

第四章理想流体动力学1．理想流体的运动微分方程2．理想流体元流的伯努利方程基本要求：掌握元流伯努利方程的推导及应用。

第五章实际流体动力学基础1．实际流体的N---S2．实际流体元流的伯努利方程3．实际流体总流的伯努利方程4．不可压缩气体的伯努利方程5．总流的动量方程基本要求：掌握功能原理推求元流、总流伯努利方程，伯努利方程及动量方程的应用。

堰流及闸孔出流第一节 概述水利工程中为了宣泄洪水以及引水灌溉、发电、给水等目的，常需要修建堰闸等泄水建筑物，以控制水库或渠道中的水位和流量。

堰、闸等泄水建筑物水力设计的主要任务是研究其水流状态和过流能力。

一.堰流及闸孔出流的概念既能壅高上游水位，又能从自身溢水的建筑物称为堰。

水流由于受到堰坎或两侧边墙的束窄阻碍，上游水位壅高，水流经过溢流堰顶下泄，其溢流水面上缘不受任何约束，而成为光滑连续的自由降落水面，这种水流现象称为堰流。

水流受到闸门或胸墙的控制，闸前水位壅高，水流由闸门底缘与闸底板之间孔口流出，过水断面受闸门开启尺寸的限制，其水面是不连续的，这种水流现象称为闸孔出流。

二.堰流与闸孔出流的水流状态比较堰流与闸孔出流是两种不同的水流现象：堰流时，水流不受闸门或胸墙控制，水面曲线是一条光滑连续的降落曲线。

而闸孔出流时，水流要受到闸门的控制，闸孔上下游水面是不连续的。

对明渠中具有闸门控制的同一过流建筑物而言，在一定边界条件下，堰流与闸孔出流是可以相互转化的，即在某一条件下为堰流，而在另一条件下可能是闸孔出流。

堰流与闸孔出流两种流态相互转化的条件除与闸门相对开度H e有关外，还与闸底坎形式或闸门（或胸墙）的形式有关，另外，还与上游来水是涨水还是落水有关。

经过大量的试验研究，一般可采用如下关系式来判别堰流及闸孔出流。

闸底坎为平顶堰65.0≤H e 为闸孔出流，65.0>H e 为堰流。

闸底坎为曲线堰75.0≤H e 为闸孔出流，75.0>H e 为堰流。

式中，H 为从堰顶或闸底坎算起的闸前水深，e 为闸门开度。

堰流与闸孔出流又有许多共同点：①堰流及闸孔出流都是由于堰或闸壅高了上游水位，形成了一定的作用水头，即水流具有了一定的势能。

泄水过程中，都是在重力作用下将势能转化为动能的过程。

②堰和闸都是局部控制性建筑物，其控制水位和流量的作用。

③堰流及闸孔出流都属于明渠急变流，在较短距离内流线发生急剧弯曲，离心惯性力对建筑物表面的动水压强分布及过流能力均有一定的影响；④流动过程中的水头损失也主要是局部水头损失。

（精华版）XX开放大学电大专科《水力学（B）》判断多项选择题题库及答案(精华版)国家开放大学电大专科《水力学(B)》判断多项选择题题库及答案盗传必究一、判断题题目1 某点存在真空，是指该点的绝对压强小于大气压强选择一项：对题目2 静止流体中某点压强的大小，不仅与其淹没深度有关还与受压面的方位有关。

选择一项：错题目2 以每个流体质点运动规律为研究对象的方法称为拉格朗日法。

选择一项：对题目3 在写总流能量方程时，过流断面上的代表点、基准面可以任意选取。

选择一项：对题目4 在过流断面突变处一般发生局部水头损失。

选择一项：对题目5 两个不同管径的管道，通过不同粘滞性的液体，它们的临界雷诺数相同。

选择一项：对题目6 同一短管，在自由出流和淹没出流条件下，流量计算公式的形式及流量系数的数值均相同。

选择一项：对题目7 计算阻力损失时，短管既要考虑局部阻力损失，也要考虑沿程阻力损失，长管计算同样也要考虑这两项损失。

选择一项：错题目8 长管是指几何长度很长的管道。

选择一项：错题目9 明渠均匀流一定是恒定流。

选择一项：对题目10 测压管水头线（水面线）沿程不可能上升。

选择一项：错题目11 明渠中临界流一定是均匀流。

选择一项：对题目12 明渠水流的水面线与总能水头可以重合。

选择一项：错题目13 水力最优断面时设计渠道的必须遵循的原则。

选择一项：错题目14 缓流一定是均匀流，急流一定不是均匀流。

选择一项：错题目15 只要宽顶堰下游水深超过堰顶，就为淹没出流。

选择一项：错题目16 对于闸孔出流，当闸门开度与上游水深之比时，闸孔出流转化为堰流。

选择一项：对题目17 达西定律是渗流中最基本的定律，它适用于所有的渗流。

选择一项：错题目18 杜比公式适用于所有的渗流。

选择一项：错题目19 力学相似的必要条件是几何相似，运动相似，动力相似。

选择一项：对题目20 黏滞性可以制止流体流动。

（）选择一项：对题目21 某点存在真空，是指该点的绝对压强小于大气压强。

第十章 明渠流和闸孔出流及堰流10—1某梯形断面粉质粘土渠道中的均匀流动，如图所示。

已知渠底宽度b =2.0m ，水深h 0=1.2m ，边坡系数m =1.0，渠道底坡度i =0.0008，粗糙系数n =0.025，试求渠中流量Q 和断面平均流速v ，并校核渠道是否会被冲刷或淤积. 解:A =222200(2 1.21 1.2m 3.84m )bh mh +=⨯+⨯=2221(22 1.211m 5.39m )o b h m χ=++=+⨯+=Q =AC 122353i Ri A nχ-=152233330.0008 3.84 5.39m /s 3.46m /s 0.025-=⨯⨯=v = 3.46m/s 0.90m/s 3.84Q A ==校核:由表10-3查得粉质粘土最大允许流速为1m/s ，因h 0=1.2m>1.0m ，需乘以系数k =1.25，所以v m ax =1⨯1.25 m/s =1.25m/s ，最小允许流速v m in =0.4m/s ，满足v max >v >v min 条件。

10—2 设有半正方形和半圆形两种过流断面形状的渠道，具有相同的n =0.02，A =1.0m 2，i =0.001，试比较它们在均匀流时的流量Q 的大小。

解:设正方形渠道流量为Q 1，半圆形渠道流量为Q 2， Q 1=1522133111111iAC R i A n χ-=15222332222222i Q A C R i A n χ-==其中 A A A n n i i ====212121,,，212321()Q Q χχ=由于 212A h =，12A h =，114482Ah A χ=== 又 22222π22,,ππ2π2r A AA r r A χππ===== 210.894χπχ== ， 2232193.0)89.0(Q Q Q == 1152522233133331110.0011(81)m /s 0.8m /s 0.02i Q A n χ--==⨯⨯⨯=3320.8m /s 0.86m /s 0.93Q ==10—3 某梯形断面渠道中的均匀流动，流量Q =20m 3/s ，渠道底宽b =5.0m ，水深h 0=2.5m ，边坡系数m =1.0，粗糙系数n =0.025，试求渠道底坡i 。