石大水力學實驗指導15挑流消能實驗

（十五）挑流消能實驗一、實驗目的要求1．掌握測量挑距的實驗技能。2．了解挑流的消能過程與效果。3．觀察隨下游水位的變化，挑流演變成臨界戽流直至最后形成淹沒戽流的流動特征。二、實驗裝置實驗設(shè)備如圖11.1所示，圖中WES曲線堰的局部裝置如圖15.1所示。圖15.1挑流實驗局部裝置圖合理設(shè)計挑流消能工的鼻坎形式、反弧半徑、鼻坎高程和挑射角度是關(guān)系到泄水建筑物的安全、經(jīng)濟等重要問題。連續(xù)式挑流鼻坎由于其構(gòu)造簡單、挑距遠、鼻坎上水流平順和不易產(chǎn)生空蝕，因而被廣泛應用。理論上可推得當挑射角時，挑距最遠（詳見六、1解答）。但由于須考慮自由起挑流量及出射水流的平順性，一般工程鼻坎的挑射角大都選在的范圍內(nèi)。鼻坎高程高出下游水位。鼻坎反弧半徑R太小時，水流軸向不夠平順，過大時，鼻坎向下游延伸太長，將增加工程量，一般取R=（8~12）h1(h1坎上水深)。本實驗模型采用WES型堰，挑坎反弧半徑R=10cm。三、實驗原理連續(xù)式鼻坎由于其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、經(jīng)濟而成為最常用的一種挑流鼻坎。挑流消能是利用鼻坎將下泄的高速水流向空中拋射，使水流擴散，并摻入大量空氣，然后降落在離建筑物較遠的地點與下游水流相銜接。水流在同空氣摩擦過程中和在下游水墊中消耗能量。若采用寬尾墩或其它類型鼻坎挑流，由于空中有較大的擴散，落水余能減少，可減輕對河床的沖刷，但應用較少。本實驗只限于連續(xù)式挑流量鼻坎消能。連續(xù)式挑流鼻坎的水平挑距，可按拋射運動原理計算，一般按水舌外緣軌跡的延長線與下游河床面的交點至鼻坎末端的水平距離作為挑距。挑距計算公式如下（參圖15.1）：（15.1）（15.2）(15.3)(15.4)(15.5)(15.6)式中，z為上、下游水位差；q為單寬流量；為流速系數(shù)；g為重力加速度；為坎頂過水斷面平均流速；為坎頂過水斷面水面的流速；為鼻坎挑角；s1為以坎頂為基準的上游來流總能頭；R為反弧半徑；h1為1-1斷面的水深；K為流能比；為坎高，即挑坎頂部至下游河床的高差。其中為已知，▽1待測定。據(jù)此，由式（15.5）、(15.6)可計得，然后再由式（15.3）代入式(15.4)計算，進而可求得挑距的理論值，以便將實測挑距與之比較。四、實驗方法與步驟1．測記有關(guān)常數(shù)；2．打開進水閥，通過量水堰求得來水流量，然后降低尾門，使下游水位保持在最低水位，依據(jù)下泄水流的挑流型式，繪出挑流流態(tài)圖；3．測量各有關(guān)實驗數(shù)據(jù)；注意：（1）測量挑距時，要把尾門降低到最低，并用導桿分撥水舌脫離側(cè)壁，以使水舌下空腔與大氣相通；（2）水舌外緣與渠底相交處，為挑距下游測點。4．保持上游來流條件不變，逐漸增加下游水位，觀察消能形式逐漸從挑流到臨界戽流，最后形成淹沒戽流消能的過程，分別測記上述消能形式換時的下游水位；5．在下游水位為較低水位時，逐漸減少上游來流流量，使之由于動能不足，水流挑不出去，而在挑坎反弧段內(nèi)形成旋滾，然后由坎頂漫溢跌至壩腳，沖刷近處基礎(chǔ)，測計此時的上游水位及流量；6．關(guān)泵停水，試驗結(jié)束。五、實驗成果及要求1．定性繪出挑流消能上游至下游的總水頭線及流態(tài)圖；2．繪制臨界戽流和淹沒流形態(tài)示意圖；3．依據(jù)已知設(shè)計流量、槽寬、鼻坎挑角等，求出理論挑距，并與實測值比較（參表15.2）；4．整理計算下列表格：有關(guān)常數(shù)：實驗臺號No槽寬b=cm，挑角θ=，壩頂高程cm，坎頂高程cm，上游渠底高程cm，下游渠底高程cm，量水堰頂高程cm。表15.1挑距量測表（表中單位為cm．s制）三角堰上游水位實驗流量Q上游水位下游水位實測挑距L01表15.2挑距計算表（表中單位為cm．s制）qzKS1h1uL0六、實驗分析與討論1．從理論上講，當鼻坎挑角=45°時，挑距最大，但實際工程中鼻坎挑角一般選用范圍為15°~35°，原因何在？2．鼻坎高程愈低，出流斷面流速愈大，挑距愈遠，如何合理選擇鼻坎高程？3．試分析在挑流消能中，能量消耗的主要途徑。4．按公式15.1計算得出的挑距與實測挑距有一定的誤差，試分析其原因。5．根據(jù)實驗觀察和成果計算，簡要分析挑流和戽流這二種消能方式的適用條件和范圍。

附錄15.1流量計算公式：三角堰：Q=AHB式中，H為三角堰堰上水頭，A、B為率定常數(shù)。附錄15.2幾種消能工水流特征及適用條件比較項目消能方式底流消能挑流消能面流消能戽流消能水及流消的能特過征程表面為漩滾區(qū)，主流集中在底部逐漸擴散。通過水躍區(qū)及躍后段內(nèi)強烈的紊動和流速分布改組而達到消能的目的。借壩端挑坎將急流拋入空中。通過水舌在空中擴散、摻氣、落入下游與水體碰撞及沖刷河床而消能。在適當?shù)奈菜畷r，借跌坎將主流導向下游表面，使之逐漸擴散，底部有漩滾。余能的消散是靠底部漩滾區(qū)中水流強烈紊動和主流沿程擴散而達到。兼有面流及底流的特點。適用條件常用于下游河床地質(zhì)條件較差的中低水頭建筑物。多用于高水頭泄水建筑物，下游河床最好為較完整的巖基。中小型工程，下游有較深而變幅不大的尾水。尾水較深的各類泄水建筑物。下游河床最好為巖基。主要的優(yōu)缺點優(yōu)點：水躍穩(wěn)定，安全可靠，消能效果好，下游水面波動小。缺點：消力池的工程量大，增加造價。優(yōu)點：節(jié)約護坦工程，可降低造價，消能效果好。缺點：空中霧氣大，尾水波動大，要求下游河床抗沖能力強。優(yōu)點：主流在表面