【水力學】-水力學實訓報告

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線 2（1）確定堰流和孔流的分界水位 2（2）堰流流量計算 2（3）閘孔出流流量計算 4（4）繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線 5二繪制庫水位為設(shè)計洪水位時的溢洪道水面曲線考慮高速水流摻氣所增加的水深算出陡坡段邊墻高并繪圖。邊墻高按設(shè)計洪水流量設(shè)計，校核洪水流量校核。 6（1）繪制庫水位為設(shè)計水位的溢洪道水面曲線 6一、繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線（1）確定堰流和孔流的分界水位1e/H=0.65e/H≤0.65，為孔流；e/H＞0.65，為堰流。2、當閘門全開時,有閘孔高度e=38.0-33.0=5.0m。則H=e/0.65，得H=5.0/0.65=7.69m。≥40.69m3、33.0+7.69=40.69m≥40.69m（2）堰流流量計算①基本公式，水力計算與測試技術(shù)P159（7.2）30Q =??????????√2????20

（1-1）式中——淹沒系數(shù)，當下游水位影響堰的泄流能力時，堰流為淹沒堰流，其影響用淹沒系數(shù)表達；當下游水位不影響堰的泄流能力時，為自由堰流，此時σs=1.0；?? ——側(cè)收縮系數(shù),它反映由于閘墩（包括翼墻、邊墩和中墩）對堰流的橫向收縮，減小有效的過流寬度和增加的局部能量損失對泄流能力的影響；m——自由溢流的流量系數(shù)它與堰型堰高等邊界條件有關(guān)；B ——溢流寬度; B=nb，n為孔數(shù)，b凈寬度。H ——包括行近流速水頭的閘前水頭。0因閘門后部分為陡坡段，且下游水位低，不影響堰的泄洪能力，可hH用 s0.8,淹沒系數(shù)s1.0。H0側(cè)收縮系數(shù)可由水力計算與測試技術(shù)P163式（7.9）得10.2n H00 k nb

（ 1-2 ）式中 ——閘墩形狀系數(shù)，其數(shù)據(jù)可查表7.20——邊墩形狀系數(shù)，可查圖7.7k因閘墩為尖圓形，且為寬頂堰自由出流，所以查表得=0.25，因沒0有邊墩，所以=0。但由于有八字形翼墻，所以=0.7。kH≈H。0 0流量系數(shù)m與上游堰高P，行近水頭H1:5，即tanθ=10 5cotθ=5。表1溢洪道堰流流量計算庫水位(m)相應(yīng)水頭 (m)Z H 表1溢洪道堰流流量計算庫水位(m)相應(yīng)水頭 (m)Z H H0淹沒系數(shù)s流量系數(shù)m系數(shù)溢洪道流量 ????)QmB2gH23033.000.001.000.3761.000.00S40.697.691.000.3850.92936.6840.007.001.000.3850.93819.8039.506.501.000.3850.93737.6539.006.001.000.3850.94657.8238.505.501.000.3850.94580.5238.005.001.000.3850.95505.9537.504.501.000.3850.95434.3537.004.001.000.3850.96365.9836.503.501.000.3850.96301.1736.003.001.000.3850.97240.2835.502.501.000.3820.97182.3335.002.001.000.3820.98131.1634.501.501.000.3810.9885.4234.001.001.000.3810.9946.7433.500.501.000.3790.9916.52（3）閘孔出流流量計算Q =??0????√2?????′??) (1-3)式中 0

——閘孔自由出流的流量系數(shù)，它綜合反映閘孔形狀和閘門相對開度e/H對泄流量的影響；??′——垂直收縮系數(shù)；B——溢流寬度; B=nb，n為孔數(shù)，b凈寬度。e——閘門開啟高度；H——包括行近流速水頭的閘前水頭。0e=5.0m,B=47=28m,H

≈H。0自由孔流流量系數(shù)0

=??′ ,P176表8.2，依題意得=0.95。垂直收縮系數(shù)??′，因為設(shè)有胸墻，所以查《水閘設(shè)計規(guī)范》，可得公式：式中 K= ??.??????.??????????????

ε′= 11√K[1 e/H)2]

（1-4）r——胸墻底圓弧半徑（m）,題中r=0.53m則K= 52.718160.535

=0.073440.69～44.2mH、、0

及Q。表2溢洪道閘孔出流流量計算庫水位表2溢洪道閘孔出流流量計算庫水位(m)ZH H0流量系數(shù)0垂直收縮系數(shù)溢洪道流量 ??'11 k1Qenb 2g0??),e e20 H42.409.400.77430.81381108.0742.079.070.77520.81601073.2741.708.700.77790.81891034.6941.408.400.78050.82161002.2041.108.100.78350.8247968.3840.807.800.78680.8282932.8040.697.690.78820.8297919.37（4）繪制庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線如圖一所示：1200.001200.00900.00量流道 600.00洪溢300.000.0031.0033.0035.0037.0039.0041.0043.00庫水位圖一：庫水位與溢洪道流量關(guān)系曲線（1）繪制庫水位為設(shè)計水位的溢洪道水面曲線142.0729.07Q=1073m3/s。2、溢洪道水面曲線由閘門后水平段、第一斜坡段及第二斜坡段上的水面曲線所組成。分別計算各段的水面曲線。①水平段閘門后收縮斷面水深由公式???=??′??2??′=0.816。h=0.8165=4.08mc閘孔單寬流量q=

Q =1073ne 47

=38.3m3/s3Q2gA33q23Q2gA33q2g1.038.3239.8k

5.31m因hc<hk,閘后水平段水面曲線為雍水曲線。5mm，收縮斷面水深，則取h=4.1m。c②第一斜坡段以收縮斷面水深為下一段的起始水深計算斜坡段水面曲線。I．判斷水面曲線類型。渠道是順坡（i>0。為確定渠道是緩坡還是陡坡需要求正常水深h0

及臨界水深。i=0.01B=34m=0，n=0.014。1用試算法算出h0

。假設(shè)h0

=2m面積A

mh0

h=34+022=68m201m21m20

3422

3810水力半徑R A10

1.79 381C 1R 1 1.7916 6

78.7m1/s謝才系數(shù)

n 0.014

2 16 16Ri1.790.01Ri1.790.01流量QAC

6878.7

715.99m3/sh_0h_0A(濕周χ()水力半R(m) 謝才系C((=??√268381.78978.703715.9202.171.438.21.86979.276773.8562.274.838.41.94879.824833.3372.378.238.62.02680.348894.3172.481.638.82.10380.850956.7562.585392.17981.3331020.6112.5586.739.12.21781.5671053.0592.5687.0439.122.22581.6131059.5892.5787.3839.142.23281.6591066.1332.5887.7239.162.24081.7051072.6912.5988.0639.182.24881.7511079.262由表3可得正常水深h=2.58m。0用試算法算出臨界水深h。假設(shè)h =4.5m。k kQ2

A3 Bmhh

3

340443= K g K

k kB2mhk

34204

73984Q=851.49m3/s2底寬b2底寬b邊坡系數(shù)m??Q（??）434073984.000851.4954.234085645.728916.1494.434098472.704982.3614.6340112520.4161050.0954.65340116229.5871067.2634.66340116981.0691070.7074.662340117131.7531071.3974.664340117282.5661072.0864.665340117358.0211072.431由表4可得臨界水深hk

=4.66m。因為h h0 k

，所以底坡為陡坡。所以水面線為b2

型降水曲線。II．水面曲線計算用分段求和法計算水面線，公式：El S

E S2

ES1 （1-5）iJ iJ式中 E—流段上游斷面單位能量，m；s1E—流段下游斷面單位能量，m；s2ΔE—下游斷面單位能量與上游斷面單位能量差值，m；sΔl—流段長度，m；??—流斷內(nèi)的平均水力坡度，m1/2/s。h=4.1m4.1m4.0m3.9m3.8m3.7m、m、3.5m、3.4m、3.3m。依次向下游計算每一流段長度?????。根據(jù)已知渠道長度l=100米，求水深? 。首第一段：兩端水深為h1

=4.1m，h

=4m，則：A=344.1=139.4m2 A=344.0=136.0m22=34+24.1=42.2(m)1 =34+24.0=42.0(m)2AR1==3.303(m)1AR2==3.238(m)21C 1R1 1 3.303=87.169 1 s166n

0.014

6 （m2/ )C 1R166

1 3.238

11=86.880 s1n

60.014

（m2/ )v Q1 1

1073139.4

7.697（m/s）v Q 2 A2

1073136

7.890（m/s）v2 7.6972J 11 C2R1 1

87.1692

3.303

=23.6104v2J 2

7.8902

=25.51042 C2R2 2J

86.882J

3.238J 2

2 24.5410421

7.6972

3.023(m)29.822

7.8902

3.176(m)則 l

E ES2

S1

29.83.0233.176

7.028(m)iJ 0.0124.54 104用同樣的方法依次計算其余各流段，各段的計算結(jié)果列于下面表5中。III．求l=100m處的水深h首

根據(jù)表5 所列的計算結(jié)果用內(nèi)插法求l=100m的水深h首，由比例關(guān)系求得h首=3.407m。③第二坡段因底坡i1=1:6=0.17>i1=0.01,所以第二斜坡段為陡坡。第二斜60米，始末端高程差為:60*1/6=10米，則第二斜坡段長度為√602+102=60.8米。再以第一斜坡段末端水深h=3.53米作為第二斜坡段的控制斷面水深，在用分段求和法計算其他各流段，結(jié)果列于表2.3。60.82.3中的數(shù)據(jù)用內(nèi)插法計算1.842米。一、名詞解釋：1、示蹤質(zhì)：某一種在水體中擴散和輸移時不發(fā)生化學和生化反應(yīng)的物質(zhì)，并且它的存在不會引起流場特性的改變。2、剪切流離散：剪切流中由于流速分布不均勻使污染物（或示蹤質(zhì)）隨流散開的現(xiàn)象，稱之為剪切流離散。3、時間連續(xù)源：污染源處所排放的污染物濃度大小隨時間保持不變。4、污染帶寬度：在不受邊界約束的情況下，橫向擴散的范圍可延伸至無窮遠，5%時，該點即認為是污染帶的邊界點。5、生化需氧量：在好氣性條件下，細菌把有機廢物氧化成二氧化碳、水和其它簡單無機物質(zhì)，其所需氧氣的數(shù)量稱為生化需氧量。6520℃55mg/l7（（DO,BOD等，在其它諸因素（如物理、化學、生物等）作用下隨時間和空間變化關(guān)系的數(shù)學表達式。8BODBOD二、回答問題：1、簡述分子擴散的菲克定律，分子擴散方程，寫出其表達式及各項意義。答：分子擴散的菲克定律是：單位時間內(nèi)通過單位面積的溶解物質(zhì)的質(zhì)量與溶解物質(zhì)質(zhì)量濃度在該面積法線方向的梯度成比例，用數(shù)學表達式表示為：qDci i

c，分子擴散方程：t

D 2cDxx2 y

2czy2Dz

2cz2

其中c為溶質(zhì)濃度，Di為各個方向的分子擴散系數(shù)，q為擴散通量。i2、寫出一維分子擴散方程的基本解該基本解，該基本解對求解紊動擴散、剪切流離散有何意義？4Dt答一維分子擴散方程的基本解為：c(x,t)4Dt

exp(

x24Dt

)。當知道一維分子擴散方程的基本解，就可以將紊動擴散、剪切流離散與分子擴散進行比較，3、污染源的移流擴散方程與分子擴散方程有何不同？如何利用分子擴散方程的基本解求解移流擴散方程？答：分子擴散方程研究的是污染物在靜水中的擴散。而移流擴散方程研究的x,xutx4、分子擴散系數(shù)D與紊動擴散系數(shù)E、縱向離散系數(shù)E意義有何區(qū)別？lED理屬性，它與流動狀態(tài)無關(guān)。縱向分散系數(shù)El

是通過類比分子擴散系數(shù)來定義的。El

反映了斷面流速分布不均勻所產(chǎn)生的縱向縱向?qū)α鞣稚⒆饔?，與分子擴散類似，對于一維分散方程來說，它在整個斷面上取一個值。5、離散與擴散有何區(qū)別?如何確定紊流管流的縱向離散系數(shù)、明渠水流的縱向離散系數(shù)？答：離散是由于流速沿斷面具有梯度，即流速沿橫斷面上的分布不均勻所產(chǎn)au* *K=5.86hu,h*6、定性繪制中心排放沿河道中心線及岸邊的縱向濃度分布曲線。說明岸邊排放的縱向濃度分布曲線與中心排放的關(guān)系。沿中心線分布沿中心線分布0C/C1.81.61.41.210.80.60.40.2000.050.1x0.150.2沿岸邊分布沿岸邊分布0C/C1.210.80.60.40.2000.050.1x0.150.2當x=0.1所對應(yīng)的距離就是斷面上達到均勻混合所需的距離Lm，岸邊排放需要四倍的中心排放距離才能達到斷面上的均勻混合。7、何謂復(fù)氧？簡述復(fù)氧過程的途徑。答：水中氧氣不斷地消耗，同時也會得到補充，稱為復(fù)氧。途徑：除上游河8、何謂水質(zhì)模型？其意義何在？答：水質(zhì)模型是一些描述水體（如河流、湖泊等）的水質(zhì)要素（如 DO,BOD等，在其它諸因素（如物理、化學、生物等）作用下隨時間和空間變化關(guān)系的數(shù)學表達式建立水質(zhì)模型的意義就是力圖把這些互相制約因（如水力學水文物理化學生物生態(tài)氣候等的定量關(guān)系確定下來對水質(zhì)進行預(yù)報，為水質(zhì)的規(guī)劃、控制和管理服務(wù)。三、計算題Q=103.7m3/su=0.07m/s，S=0.0005C=30kg/m* f u3Q=0.5m3/su試對廢水投放點分別位于明渠中心或側(cè)壁兩種情況下的橫向擴散進行研究。假定垂向擴散瞬間完成。計算上述兩種情況下在明渠整個寬度上達到完全混合所需要的距離。L=0.5kmL=20km1解:（1）橫向擴散系數(shù)：Ez中心排放Lm=0.1*uB2E

2=0.15hu*

=0.15*1.09*0.07=0.01145z90.62∴Lm=0.1*1.05*0.01145 =75.27kmuB2岸邊排放Lm'=0.4 =301.1kmEz(2)中心排放0.011450.01145*5001.05EExzu

=6.92

=16.15m同理當L2=20km=20000m 2b=102.17m在500m處:c(xb=exp(-ub2

)=0.05=exp(-

1.05*b2

)得b=8.08mc(x,0) 4Exz

4*0.01145*5000.5kmM.

0..30h Ex/z1.05*1.09 *0.01145*500/1.05所以5%Cmax=0.079g/L濃度為最大濃度的50%處的b為：c(xb=exp(-ub2

)=0.5代入有關(guān)值得b=3.89mc(x,0) 4Exz濃度為最大濃度的90%處的b=1.52m濃 度 為 最 大 濃 度 的 80%~40% 處 的 b2.21m,2.79m,3.34m,3.89m,4.47m

依 次 為b-8.08-4.47-3.89-3.34-2.79-2.21-1.520c0.0790.6320.790.9481.1061.2641.4221.58b1.522.212.793.343.894.478.08c1.4221.2641.1060.9480.790.6320.07920km處斷面上最大濃度c(xb=exp(-ub2

)=0.05=exp(-

1.05*b2

)得b=51.12mc(x,0) 4Exz

4*0.01145*20000m.h Ex/z

.30

1.051.05*1.09 *0.01145*20000/1.05所以5%Cmax=0.013g/L濃度為最大濃度的90%處的b=9.58m濃 度 為 最 大濃 度 的 80%13.95m,17.63m,21.11m,24.59m,28.27m

40% 處 的 b 依次 為由岸邊排放濃度與中心排放濃度規(guī)律可知岸邊排放濃度是中心排放濃度的2倍四、計算題廢水經(jīng)初步處理后，五日生化需氧量為130毫克/升，排污量為75000米。河流20℃，溶解氧為飽和溶解度的75%解：BOD=130mg/L5BOD=2mg/L5T=20℃混合水溶解氧：75000m3/0.868m3/sT=20℃查表得O=9.17mg/Ls河水的溶解氧=9.17*75%=6.88mg/L混合水體溶解氧：

6*6.8860.868

=6.01mg/L50.868*1306*2=18.18mg/L0.8686初始生化需氧量L0= L(5) =

18.18

=25.48mg/L1k

(5)) 10.25*1初始氧虧D0=9.71-6.01=3.7mg/LU k k DXc= ln{k2k1

k2[1-（1

k2-1）1

L0]}0k 0.4 D 3.72= =1.6k 0.251

0= =0.145 k k=0.15L 25.48 2 10U=2.4*24=57.6km/日所以Xc=145.53kmkD=k1

L0 [exp（-xk/u）-exp（-xk/u）]+Dexp（