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双变坡水渠实验指导书



一、实验目的和要求

1、通过观察,加深和巩固棱柱形渠道中恒定非均匀渐变流十二条水面曲线的概念,了解它们的特点、规律及各水面曲线的发生条件与形状。

2、观察渠道底坡变化时水面曲线的衔接情况。


二、实验仪器及工作、实验原理

1.实验装置简图


2.工作原理

实验段主要由两段可以调节各种底坡的有机玻璃水槽组成。坡底的改变由四个升降螺杆控制,流量由首部进水池中的量水堰测定。当在槽中放置各种模拟的水工建筑物并改变坡底时,就可以观察到各种水面曲线。


3.实验原理

渠道底坡可变的矩形水槽中,放置某一模拟的水工建筑物或改变成不同底坡时,在受边界条件影响的范围内,都会导致原有水流运动状态的改变而形成非均匀流动。非均匀流动既可能是渐变流,也可能是急变流,而恒定非均匀渐变流的问题主要归结为水面曲线分析和计算,其分析的微分方程式为:

式中:K0是相应于h0的流量模数;K是对应于均匀流水深h的流量模数;Fr佛汝德数

可见,微分方程(1)中我,包含了hh0hki的相互关系。正是由于在不同渠道底坡i下,由上述三个水深值的不同组合,而形成了明渠非均匀流水面曲线的各种变化:


为了方便区分水面曲线沿程变化的情况,一般在水面曲线的分析图上做出两根平行于渠底的直线。其中一根距渠底h0,为正常水深线N—N,而另一要命距渠底hk,为临界水深线K—K。这样把渠道水流划分成三个不同的区域。这三个区分别称为a区、b区和c区,各区特点是:水深h大于h0hka区;水深小于h0hkc区;而h介于h0hk之间(hh0hhk,或hh0hhk)的区域称为b区。区分别调节三种底坡,可清楚的显示出十二条水面曲线的变化规律,亦可分别对顺坡、平坡及逆坡三种棱柱形渠道中水面曲线的情形进行讨论。


4.操作步骤


在有机玻璃水槽上游的某一适当位置放入模拟的曲线形式用堰(或其他堰型)。


开启水泵,打开进水阀,调节成一适当流量,流量用闸板控制,此时,根据流量算出临界水深hk及临界坡底ik


以临界坡底ik为准,通过升降螺杆控制所需的底坡,观察各种形式的水面曲线,根据经验按下列顺序观察较为方便地:

将整个底坡调成负坡i0,观察bc′型水面曲线。

整个底坡调成平坡i=0,观察b0c0型水面曲线。

整个底坡调成缓坡iik,观察a1c1型水面曲线。

整个底坡调成临界坡i=ik,观察a3c3型水面曲线。

整个底坡调成陡坡iik,(底坡调节幅度以曲线较为明显为宜),观察a2c2型水面曲线。

将实用真切模型取出,并将槽身上游段底坡调成缓坡(iik),观察b1b2型水面曲线。


三、实验记录及计算

1.记录有关常数。
实验装置台号
No.
             


   

2.编制实验参数记录、计算表格并填入实验参数、实测数据。



四、分析讨论

1、当改变槽中流量,临界水深及临界底坡的数值是否将发生变化?槽中水面曲线是否发生变化?

2、当槽中流量不变,槽中水面曲线的变化与什么因素有关?

3、有一底宽改变的棱柱体渠道如下图所示,当通过一定流量Q时,临界水深线K—K及正常水深线N—N怎样确定?



















  水面曲线图例







    实验项目示例


小桥冠洞过水及水跃消能工实验


实验目的

1、观察小桥,涵管过水现象并与宽顶堰水流进行比较。

2、观察下出流产生的水跃(临界式水跃远驱式水跃淹没式水跃),计算共轭水深并与实测结果比较。

3、观察设置消能工后的水流现象。

二、基本概念与计算公式

小桥的过水情况由于路基及墩台约束了河沟过水面积而引起侧收缩发生了堰流,一般坎高P=Pˊ=0。当桥下游水深h<1.3hkchk是桥孔水流的临界水深时为自由式小桥过水,如图1。当h ≥1.3hK时为淹没式小桥过水,如图2。由水纹计算决定设计流量Q。当此流量流经小桥时,应保证桥孔流速υ不超过桥下铺砌材料式天然土壤的冲刷允许流速υmax0同时桥筑壅水水位(用壅水水深表示)不大于规范允许值。

   

涵管过半,当下游水深h及涵管长度L不影响水流情况时,在涵管入口段(Lc=(1.5~2.5)(H-hc))与宽顶堰相似。在c-c段由于入口段影响,流线只能逐渐光滑,连续地弯曲形成收缩水深hc。Lk表示hchk间的距离,出口段长度Lˊ=(2~2.5)(hk-h),则L=lclk+lˊ。当L>Lk为长涵管,L<L为短涵管。当L=Lk时,在出口段面K—K上水深为Kk如图3。当L>Lk时,如图4。c-c断面水流不能支付全管长内急流的水头损失,而下游为缓流,故程水跃衔接.在K—K断面上游形成水流损失较小的缓流。水流充满涵管,称为有压涵管。涵管上缘与水流不接触称为无压管。

   

闸门的过水能力受闸门形式,闸前水头和下游位置等因素的影响。在闸门下游约等于闸门开启高度e的2~3倍处形成垂直方向收缩,其收缩水流hc<e。闸门下游为缓流。即水深h>hh时,则闸下出流必然以水跃的形式与下游水位衔连。当h>hc的共轭水深 h"c时将在收缩断面上游发生水跃,此水跃受闸门的限制,称为淹没水跃,否则形成自由式下出流,如图5。

自由式下出流

在水工建筑物尾端,其流速甚高,会冲刷河床,危及水工建筑物的安全。为把引起冲刷的水流能量在比较短的区段内消除而设置的消能措施,称为消能工;它的种类甚多,消力坎可增大跃后水深,使水跃位置逆流上移,减小急流长度。


实验方法与步骤

实验装置与堰流实验相同

1、在渠道中安装小桥,涵管试件,调节进水闸门与尾门,观察其各自的过水情况。

2、更换试件为闸,调节进水阀门与尾门,观察水跃现象并测定h,h记入表内,计算共轭水深并与实测值比较。

3、安装消力坎,观察水流现象。

四、记录与计算表

五、思考题

1、产生水跃现象的原因是什么?

2、水跃与消能工都是什么功能?



堰流实验


一、实验目的

1、测定宽顶堰的流量系数。

2、观察薄壁堰,实用断面堰的水流现象。

二、基本概念与计算公式

当明渠缓流经障壁(堰)溢流时,堰对水流的作用或者是侧向收缩,或者是底坎的约束,据其水力特点,可用δ/H的大小进行分类:

1、薄壁堰:当δ/H<0.67时,水流越过堰顶时,堰顶厚度δ不影响水流的特性;

2、实用断面堰:0.67<δ/H2.5,由于面对水舌的影响,所以堰壁的形状及其尺寸对流量系数有影响;

3、宽顶堰:当2.5<δ/H<10时,堰流与下游水位的联接关系亦为影响堰流性质(如堰的过水能力)的一个重要因素,当下游水深足够小,不影响堰流性质时称为自由式堰流,反之称为淹没式堰流(潜堰)。开始影响堰流性质的下游水深称为淹没标准,表征堰流的特征量有:堰宽b,堰前水头H,堰壁厚度δ它的剖面形状,下游水深h及下游水位高出底坎的高度△,堰上、下游坎高P及Pˊ,行近流速υ0等。此外,当上游水渠道宽度B大于堰宽b时,称为侧收缩堰;当B=b时称为无侧收缩堰;如果堰与渠道水流才向正交,称为正堰;与水流方向交的称为斜堰,与水流方向平行的为侧堰。根据堰上的形状,有矩形堰,三角开堰,梯形堰等。堰流的共同特点是可忽略沿程水头损失,故其公式可具有同一结构形式,而差异仅表现在某些系数数值不同。

上游行近流速υ0=Q/BH+P),引用H0=H+α0υ²0/2g,α0为动能修正系数;α0=1

自由式无侧收缩宽顶堰,按下式计算:

淹没式无侧收缩宽顶堰,当△>0,且△≥0.8H0或△/h,h≥1.3时;如图(1)按下式计算:

三、实验方法与步骤

1、自由式出流:

(1)开动水泵电机,打开进水阀门,调节尾门,使其为自由式宽顶堰。用直尺测量上游,收缩下游水深,用量杯、秒表测水体积、时间,记入记录表内。

(2)加大开启进水阀门,调节尾门,使水头H增加,重复上述步骤四次。

2、淹没式出流:

调节进水阀门,尾门,使其为淹没式宽顶堰,并使水头H与前次相等,重复其它步骤一次。

3、其它堰流演示:

更换试件分别为薄壁堰,实用断面堰等,观察其水流现象。


四、实验记录,计算,符表









五、思考题




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