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浙江大学水力学实验的讨论题及答案[复制链接]
发表于 2020-4-2 16:40:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
水力学实验的讨论题答案


                 水 面 曲 线 习 题 讨 论   

问题一判别临界流除了采用ic方法外,还有其他什
么方法 ?

问题二分析计算水面线时, 急流和缓流的控制断面
应如何选择?为什么?

问题三在进行缓坡或陡坡实验时,为什么在近临界底
坡情况下,不容易同时出现三种水面线的流动型式?

问题四请利用本实验装置,独立构思测量活动水槽
糙率n的实验方案。(假定水槽中流动为阻力平方区)



   1。 判别临界流除了采用ic方法外,还有其它什么方法?
       临界流有如下特征,据此亦可判别流动是否为临界流动:  
      (1)临界底坡上所形成的aIII、cIII型水面线应趋近于水平
  线。用直尺直接量测水面至桌平面的垂直距离,可检测其是否
  水平。
    (2)临界流时的断面比能E最小, 且在临界水深附近比能
  E微小变化,会引起水深较大变化,故受扰动时水面易产生较大

  的波动,并形成不稳定的波状水面线。  由此可知,当底坡接
  近临界底坡时,其均匀流的水面线亦呈现波状,等于临界底坡
  时,波状最为明显。

20:06 2009-4-156

   2. 分析计算水面线时, 急流和缓流的控制断面应如何选
择?为什么?
      在分析计算前,位置及水深已知的断面,谓控制断面。急流
控制断面只能选在上游,缓流一般选在下游。这是由于急流干扰
波不能向上游传播,而缓流时,干扰波能向上游传播。例如实验
中的闸板(上下游附近)位置可选作控制断面,之前为缓流,之
后(跃前)流段为急流。根据闸前水深和闸板的开度即可分析计
算闸前或闸后(自由出流时)的水面线。又如跌坎是缓流向急流

过渡的控制断面。在跌坎偏上游处的断面上,其水深为临界水深、
跌坎可作为计算b型水面曲线的控制断面。

  3.在进行缓坡或陡坡实验时,为什么在近临界底坡情况
下,不容易同时出现三种水面线的流动型式?
       b 型水面线位于NN和CC线之间,当底坡接近于临界
底坡时, 二线间区域很窄,故难以形成b型水面线。为使b型
水面线较易生成,应使NN线和CC线之间区域变宽,所以实
验时要求缓坡宜缓,陡坡宜陡。



4.请利用本实验装置,独立构思测量活动水槽糙率n的实
验方案。(假定水槽中流动为阻力平方区)
实验原理
     当流动处于紊流阻力平方区时,糙率n根据下列均匀流
公式测计:
  
式中,B为槽宽;h水深;A为过水断面,即A  Bh ; L两
支点间据 ;z升降杆标尺读值。需实验测定明渠均匀流时
的 Q、i、h、B值。  计算时,单位应换算成米·秒。

实验方法
     调节底坡,使之产生急流状态均匀流(其中均匀流段,
等水深流段长度不短于50cm),测定流量Q、B、h及z
值,将实验测值和已知常数代入上述公式即可计算n值。
实验分析
     上述公式仅适用于紊流阻力平方区。 但由于本槽很小,
最大流量下能达到的雷诺数约为十的四次方,其流动处于紊
流过,故上述测计只可做为测n方法的练习。

                堰流实验习题分析与讨论

  问题1.量测堰上水头H值时,堰上游水位测针读数为何
         要在堰壁上游(3~4)H附近处测读?
  问题2.为什么宽顶堰要在 2.5<δ/H<10 的范围进行实
         验?
  问题3.有哪些因素影响实测流量系数的精度?如果行
        近流速水头略去不计,对实验结果会产生多大
        影响?

1.量测堰上水头H值时,堰上游水位测针读数为何要在
堰\n壁上游(3-4)H附近处测读?
      堰流水力计算公式中的堰上水头 H 指未降落时的上游水
面至堰顶的高差。由于距堰壁 (3~4)H 处的上游水面下降
值已小于0.003H, 水面降落的影响已可忽略,故可选此位量测。
另外,在实际工程中亦不宜在堰上游太远处测量,因为堰上游可
能为 a1 或 b1 型水面线,上游端渐近于正常水深线,越向上游,

水面越高。

   2.为什么宽顶堰要在 2.5</H<10 的范围进行实验?
       根据堰顶水流表面形状,在 0.67 < / H < 2.5 时,堰顶厚
    度已影响自由水舌形状,这被定义为实用堰。而当2.5</ H
    <10 时,过堰水流在进口附近下凹,流程水头损失 hf 仍可
    忽略不计,这被定义为宽顶堰。但当 /H > 10 时,hf 对过
    水能力的影响已不可忽略,这属于短渠。

  3.有哪些因素影响实测流量系数的精度?如果行近流
速水头略去不计,对实验结果会产生多大影响?

由式:     

知,影响 m 实测精度的有 Q, b, H0. 其中 H0 最为敏感。行近流
速对 m 值的影响程度可定量分析如下:
令 a = 1, 有
   
由实验知,一般宽顶堰 P1/H <= 1,
故有:
        
又因对直角进口宽顶堰, m > 0.32, 故有
      
代入自由出流流量公式,并以 m(H0) 和 m(H) 分别表示计与

不计行近速头时的 m 值,则有
            m(H0) < 0.963m(H)
同样地对圆角进口宽顶堰,因 m > 0.36, 则有 m(H0) <0.953m(H)
表明,P1/H < 1 时,如果忽略行近速头,则直角和圆角进口的宽
顶堰的 m 值将偏离真值达3.7% 和 4.7% 以上。且 P1/H 愈
小,偏离愈大。因此对宽顶堰实验,必须计及行近流速的影响。

           
                 水 跃 实 验 习 题 讨 论  

问题1测量水深时,水位有波动,应如和取其平均值?
问题2如何判断跃前水深和跃后水深的位置?怎样量测水跃长
       度?
问题3在同一流量下,为什么调节下游尾门可出现三种不同类
       型的水跃?另当尾门不变时,能否用他法获得三种类型
       的水跃?
问题4五种形态水跃中哪种水跃的消能效果较好?为什么实际
        工程中大多采用稳定水跃?


1. 测量水深时,水位有波动,应如和取其平均值?
       测量水深时,由于水面波动,测针接触水面时断时续,为
测水面的平均值,应使测针头脱离与接触水面的时间大致相等。
      减少水面波动影响的最有效方法,是外接测针如同三角堰
  流量槽的测针筒图。

2.如何判断跃前水深和跃后水深的位置?怎样量测水跃长度?
   跃前位置应选于偶而受水跃回水淹没的急流断面上,跃后水深
的位置位于水跃中所含气泡基本消失逸尽的位置。跃前跃后之间
的水平距离即为水跃长度,可用直尺测读。

3.在同一流量下,为什么调节下游尾门可出现三种不同类型的水
跃?另当尾门不变时,能否用他法获得三种类型的水跃?
     同一流量下,调节下游尾门,使下游水深ht等于闸下收缩水深
的共轭水深时,即hc"=ht,闸下产生临界水跃。此时,若再升高
或降低尾门便可使临界水跃变为淹没水跃(hc"<ht)或远驱水跃
(hc">ht )。这是因为尾门降低,则跃后水深减小,跃前与跃后水
深失去共轭关系,水跃向跃前水深增大的方向移动,跃前急流段

增长,并因流动阻力的影响,急流段的水深逐渐增大,形成c型
壅水曲线。当跃前水深达到水跃共轭水深时,水跃位置便趋于稳
定。即水跃由临界变为远驱。同理,若尾门升高,下游水位增加,
顶托水跃向上游推移,直到超过收缩断面,从而形成淹没水跃。
     如保持尾门高度不变,通过调节闸板开度,改变收缩断面水
深,亦能获得三种水跃。

4.五种形态水跃中哪种水跃的消能效果较好?为什么实际工程中大
多采用稳定水跃?
    因稳定水跃消能效果较好,不仅消能率高,且跃后水面亦较
平稳。通常 Fr1越大,消能率越高。但过大亦不适用,当 Fr1>9
时(  强水跃  〕,消能率可达70 %以上。 但下游水面波动随
之增大,此时改用挑流或其他消能形式可能更有利。故工程中,
凡底流消能,一般大多采用稳定水跃,当Fr1>13时,则极少采用
底流消能的方式了。

              消能池实验习题讨论

问题1 池长和池深的设计流量为何不同?如何确定?
问题2虽然临界水跃的消能效果最好,但消能池设计中却采用淹没
      度=1.05~1.1的淹没水跃,原因何在?

1.池长和池深的设计流量为何不同?如何确定?
     [池深设计流量qd1的确定]       由于池深的设计流量不
一定是最大流量,须绘制如图所示的q ~()曲线,
  图中()max所对应的流量qd1,即为池深设计流量。
  在计算时,需先根据堰流的流量系数m计算T0。对WES

  堰,可取m=0.5。
  [池长设计流量qd2的确定] 根据池长计算公式LB=(4.27~

   4.88)可知,最大的过流量即为池长设计流量qd2。  

2.虽然临界水跃的消能效果最好,但消能池设计中却采用淹没度
的淹没水跃,原因何在?

  

     这是因为临界水跃位置不稳定,故在实际工程设计时,常
使池中水跃有一定淹没度(=1.05~1.1)以策安全。  此时,
护坦长度较短,消能效果较好,并且水跃位置也较稳定。如果,
水跃的淹没程度太大,则消能效果较差。


              挑 流 实 验 习 题 讨 论

问题一·从理论上讲,当鼻坎挑角时,挑距最大,但实际工
程中鼻坎挑角一般选用为,原因何在?
问题二·鼻坎高程愈低,出流断面流速越大,挑距越远,如何合理
选择鼻坎高程?
问题三·试分析在挑流消能中,能量消耗的主要途径。
问题四·按公式1计算得出的挑距与实测挑距有一定的误差,试分析
             其原因?
问题五·根据实验观察和成果计算,简要分析挑流和戽流这两种消能

             方式的适用条件和范围。

1.从理论上讲,当鼻坎挑角时,挑距最大,但实际工程中鼻
坎挑角一般选用为,原因何在?

    当s1 >> h1,且鼻坎与河床高程基本相同,则可简化得挑距理
论公式
   
    当时,L0最大。但由于反弧影响,当流量小于起挑流量时,挑坎反弧内会形成水
跃状的横轴水滚,水流不能挑射,而
沿挑坎自由跌落,从而在紧靠挑坎附近形成冲坑。角越大,不能
形成自由挑流的流量范围也愈大,对坎脚基础冲刷愈严重。因而实
际工程中挑角一般选用范围为。

2. 鼻坎高程愈低,出流断面流速越大,挑距越远,如何合理选择鼻
坎高程?
     选择鼻坎高程需考虑两方面的因素:一是从水力条件考虑,
则必须保证水舌下与水面有一定空间,以便水股能自由挑射,故
坎顶应略高于下游水位。二是经济因素。挑坎不宜过高,否则增
大工程量,不经济。

3.试分析在挑流消能中,能量消耗的主要途径。
    能量消耗途径有三:1.水流与坝面摩擦损失。2.空中消能,
即射流裂散受空气的阻力,致使大量空气被挟带入水股中,形成
挟气水流,未掺入水流的水股周围空气,也在水股作用下加速运
动,形成大风,因此在挑流中的水体的能量由于摩擦部分被损耗。
3.水垫消能,即落入下游的射流,由下游水垫形成的旋涡及强烈紊
动而消散的能量。

4.按公式1计算得出的挑距与实测挑距有一定的误差,试分析其原
因?
    射流水股受槽壁阻滞影响或水舌下通气不充分而产生一定
真空,都会影响实测挑距偏小。

5.根据实验观察和成果计算,简要分析挑流和戽流这两种消能方式
的适用条件和范围。


    由公式1可知,坝高较低,挑距近,另由实验又知,小流量
时,不易起挑。这些情况对挑流消能都是不利的,因此当坝较高,
单宽流量较大,下游河床为完整坚固的岩基,采用挑流消能较为
适宜。戽流消能适用于水头不很高,下游水深较大且下游河床最
好的岩基,又不宜做底流消能工的情况。
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