水跃实验一、实验目的:1.观察水跃现象的特征和三种类型的水跃。2.检验平坡矩形明槽自由水跃共轭水深理论关系的合理性,并将实测值与理论计算值进行比较。测定跃长,检验跃长经验
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的可靠性。3.了解水跃的消能效果。4.比较不同Fr五种型态水跃①的流动特征。二、实验设备实验槽如下图所示,其供排水系统与图11.1同。图12—1水跃实验槽示意图1.稳水孔板;2.闸板;3.测针;4.多孔尾门;5.高程标志快;图12—2堰、闸出流均可产生水跃。若以堰流作水跃实验(图12.2)时,虽能进行一般水跃实验,包括共轭水深关系、跃长、消能率的实验,但由于堰上水位∇1完全取决于实验流量Q,Fr1可调围较窄。不足以进行五种型态水跃的流动特征实验。故通常采用闸下出流作水跃实验。闸下出流除可调节尾门改变下游水位∇5,还可通过调节闸板2的开度,改变堰顶水位∇1,不仅可得到临界、远驱、淹没三种类型的水跃,并能较大幅度地改变Fr1,从而演示上述五种型态水跃的流动特征。本实验流量由三角堰量水槽(图11.1)中(5)测量,水位由测针3测量。① 五种型态水跃:1.波状水跃(Fr1=1.0~1.7);2.弱水跃(Fr1=1.7~2.5);3.摆动水跃(Fr1=2.5~4.5);4.稳定水跃(Fr1=4.5~9.0);5.强水跃(Fr1>9.0)(详见图12.3)三、实验原理通过实验可测定完整水跃共轭水深h′、h′′、跃长LB、消能率η,并可验证平坡矩形槽中自由水跃计算的下列理论公式:h′=2h′′(18gh′′3αq2−1)LB=6.1h′′ΔHj=4h′h′′(h′′−h′)3η=ΔHj/H1式中,ΔHj水跃的能量损失;H1跃前断面总能头,H1=h′αυ12/2g。为测定消能率,可选平坡渠底为基准,然后由槽宽b和实测的h′、h′′值确定水跃前后断面的总能头E1和E2,再由下列各式换算得实测消能率η:ηΔE/E1E1=h′α(bh′Q)2/2gE2=h′′α(bh′′Q)2/2gΔE=E1−E2该装置还可演示远驱、临界和淹没三种水跃以及按Fr不同而区分的五种型态水跃(图12.3)。图12—3保持流量约1000~2000cm3/s不变,调节闸板开度,使闸下跃前的Fr1由1→10逐渐变化,可观察到如图12.3所示的五种型态水跃。其中Fr1=υ1/gh′各种水跃特征如下:波状水跃:水面有突然波状升高,无
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面旋滚,消能率低,波动距离元。弱水跃:水跃高度较小,跃区紊动不强烈,跃后水面较为平稳,其消能率低于20%。摆动水跃:流态不稳定,水跃振荡,跃后水面波动较大,且向下游传播较远。稳定水跃:水跃稳定,跃后水面较平稳,消能率可达46~70%,是底流消能较理想的流态。强水跃:流态汹涌,表面旋滚强烈,下游波动较剧,影响较远,消能率可达70%以上,但消能工的造价高。一般当Fr1>13时,因底流消能工更昂贵,宜改用挑流或其他形式消能。四、实验方法与步骤1.测记有关固定常数。2.打开进水阀门,并适当开启闸板,待上游水位稳定后,再调节尾门,分别使闸下发生三种类型水跃,即远驱式、临界式和淹没式水跃;仔细观察水跃现象,并分别绘出其示意图。3.调控进水阀门开度,使下游产生完全水跃,分别测记三角堰测针读数、共轭水深和跃长(测量共轭水深需用断面三点平均)。4.调节流量Q=800~1000cm3/s左右,闸板开度e=0.5~1cm,同时调控阀门,使闸上水位在测针可读围最高,测记Fr1,观察Fr1>9时的强水跃特征。5.适当调小e,使4.5
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