航道工程学课件：4、船闸水力计算.ppt

1、第五章：第五章： 船闸水力计算船闸水力计算 船闸水力计算的任务船闸水力计算的任务o 在船闸总体布置设计基本完成后，应根据闸室输在船闸总体布置设计基本完成后，应根据闸室输水时间、船只停泊条件以及船闸安全运行的条件要求水时间、船只停泊条件以及船闸安全运行的条件要求进行水力计算，提出输水系统各主要部分的尺寸和布进行水力计算，提出输水系统各主要部分的尺寸和布置，并反复验算设计的科学性和合理性。置，并反复验算设计的科学性和合理性。o 输水系统水力指标是船闸能否正常运行的关键。输水系统水力指标是船闸能否正常运行的关键。o 目标目标：输水时间闸室停泊条件（简单）消能工输水时间闸室停泊条件（简单）消能工o 使

2、输水系统满足设计要求、船闸设计规范的要求、使输水系统满足设计要求、船闸设计规范的要求、能够良好运行能够良好运行（实例，八十年代末期）（实例，八十年代末期）。b 水力计算的主要内容：水力计算的主要内容：（1）输水阀门处廊道断面面积）输水阀门处廊道断面面积（查表）（查表）；（2）输水系统的阻力系数）输水系统的阻力系数和流量系数和流量系数；（3）阀门开启时间阀门开启时间tv和闸室输水时间和闸室输水时间T；分散输水应计；分散输水应计算输水廊道换算长度算输水廊道换算长度lp；（4）闸室水力特性曲线；）闸室水力特性曲线；（5）过闸船舶（队）在闸室和引航道内的停泊条件；）过闸船舶（队）在闸室和引航道内的停泊

3、条件；（6）密封式输水阀门后廊道顶部的压力水头，开敞式）密封式输水阀门后廊道顶部的压力水头，开敞式输水阀门后的水跃；输水阀门后的水跃；（7）廊道工作条件：转弯段内侧及局部点最低压力水）廊道工作条件：转弯段内侧及局部点最低压力水头；输水阀门的工作空化数。头；输水阀门的工作空化数。第一节第一节 船闸水力计算的一般方程式船闸水力计算的一般方程式 船闸灌、泄水过程中，受水位差、阀门开度及阻力船闸灌、泄水过程中，受水位差、阀门开度及阻力系数等影响，闸室水位、输水流量、能量等参数均随时系数等影响，闸室水位、输水流量、能量等参数均随时间变化，输水廊道中的水流为间变化，输水廊道中的水流为非恒定流非恒定流。 f

4、(H、Q、E、n.)t （曲线曲线） 廊道中流量从灌泄水初期为零逐渐上升至最大，然后廊道中流量从灌泄水初期为零逐渐上升至最大，然后又逐渐下降到零，进入闸室和引航道水流在起内都将发又逐渐下降到零，进入闸室和引航道水流在起内都将发生生非恒定非恒定的水流运动，并引起所谓的的水流运动，并引起所谓的“长波运动长波运动”。图图5-19 船闸输水计算示意图船闸输水计算示意图 对于直立式闸室墙的船闸输水，从水流运动的连对于直立式闸室墙的船闸输水，从水流运动的连续条件可得：续条件可得：tQ 由于非恒定长波运动的波幅相对于水深由于非恒定长波运动的波幅相对于水深（特别是高（特别是高水头船闸）水头船闸）总是很小的，因

5、而在建立船闸灌泄水基本方总是很小的，因而在建立船闸灌泄水基本方程式时，一般程式时，一般假定假定: （1）引航道水面是固定不变的；）引航道水面是固定不变的； （2）闸室水面是以水平面升降的。）闸室水面是以水平面升降的。 有压流流量公式：有压流流量公式：o 根据前述的各种输水型式，船闸的输水方式分为三角闸门门缝出流，根据前述的各种输水型式，船闸的输水方式分为三角闸门门缝出流，有压孔口和管道出流三种。有压孔口和管道出流三种。o 各种输水方式的流量分别为：各种输水方式的流量分别为：o对三角闸门门缝输水对三角闸门门缝输水，根据美国的试验资料则有：，根据美国的试验资料则有：o o Qt瞬时瞬时t的输水流量

6、，的输水流量，m3/s；o d 三角闸门门缝输水的流量系数，可假定为常数，取为三角闸门门缝输水的流量系数，可假定为常数，取为0.55（经验数）（经验数）；o t 瞬时瞬时t，三角闸门门缝输水的总面积，三角闸门门缝输水的总面积，m2；可取为低水；可取为低水位以下的输水面积加高水位与低水位之间输水面积的位以下的输水面积加高水位与低水位之间输水面积的2/3； Ht 瞬时瞬时t的输水有效水头。的输水有效水头。ttdtgHQ2对有压的孔口出流对有压的孔口出流（闸门上开小门或闸门门下输水）：（闸门上开小门或闸门门下输水）： o （5-3） tttgHQ2有压孔口出流的流量系数，可假定为常数，取为有压孔口出

7、流的流量系数，可假定为常数，取为0.60.62； Ht 瞬时瞬时t的输水有效水头。对有压孔口非淹没出流为孔口中心到的输水有效水头。对有压孔口非淹没出流为孔口中心到上游水位的高度，对三角闸门门缝出流及有压孔口淹没出流为上下上游水位的高度，对三角闸门门缝出流及有压孔口淹没出流为上下游水位差，游水位差，m； g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2； 瞬时瞬时t的输水孔口面积，的输水孔口面积，m2；上两式中：上两式中：o 有压孔口出流的流量系数，可假定为常数，取为有压孔口出流的流量系数，可假定为常数，取为0.60.62；o Ht 瞬时瞬时t的输水有效水头。对有压孔口非淹没的输水有效水头。对有压

8、孔口非淹没出流为孔口中心到上游水位的高度，对三角闸门门缝出出流为孔口中心到上游水位的高度，对三角闸门门缝出流及有压孔口淹没出流为上下游水位差，流及有压孔口淹没出流为上下游水位差，m；o g重力加速度，重力加速度，g=9.81m/s2；o 瞬时瞬时t的输水孔口面积，的输水孔口面积，m2； 有压的管道出流是船闸输水最常用的方式，此时有压的管道出流是船闸输水最常用的方式，此时若考虑船闸输水廊道内水体的惯性影响，为求得船若考虑船闸输水廊道内水体的惯性影响，为求得船闸廊道输水非恒定流的一般方程式，闸廊道输水非恒定流的一般方程式，以任意平面以任意平面0-0为基准面，在船闸灌、泄水过程中，相邻两闸室（或闸为

9、基准面，在船闸灌、泄水过程中，相邻两闸室（或闸室与上、下游）水面之间的伯努利方程式可写为：室与上、下游）水面之间的伯努利方程式可写为：注意与不可压缩恒定元流方程的区别？注意与不可压缩恒定元流方程的区别？一、不考虑惯性水头影响的水力计算一、不考虑惯性水头影响的水力计算各种输水阀门的各种输水阀门的值表值表 表5.2二、二、 考虑惯性水头影响的水力计算考虑惯性水头影响的水力计算o 由式（由式（5-27）可知，当水位差）可知，当水位差 时，流速时，流速 ，输，输水仍在继续进行。只有当水仍在继续进行。只有当 时，流速才为零。时，流速才为零。o 这就意味着，灌水时闸室水位超过齐平水位达这就意味着，灌水时闸

10、室水位超过齐平水位达d值，泄水时间值，泄水时间闸室水位可下降至齐平水位以下达闸室水位可下降至齐平水位以下达d值。亦即灌、泄水末了，闸室值。亦即灌、泄水末了，闸室水位将以齐平水位为中心，以最大振幅值上下波动并逐渐衰减。水位将以齐平水位为中心，以最大振幅值上下波动并逐渐衰减。o 分散输水系统惯性水头值可达分散输水系统惯性水头值可达0.51.0m。如不采取措施，将。如不采取措施，将对船闸的运转产生不利影响，如形成作用在闸门上较大的反向水对船闸的运转产生不利影响，如形成作用在闸门上较大的反向水头将人字闸门顶开，恶化闸室内的停泊条件等。头将人字闸门顶开，恶化闸室内的停泊条件等。0tH0dHt练习题o 1

11、 1、思考：船闸输水系统设计应满足哪些基本要求？、思考：船闸输水系统设计应满足哪些基本要求？o 2 2、简述什么是输水廊道换算长度？、简述什么是输水廊道换算长度？o 3 3、根据短廊道输水系统水力计算的基本方程式的积分、根据短廊道输水系统水力计算的基本方程式的积分表达式：表达式：tHHHtttHdgCdtt2031122kgHCT（提示：（提示：303tdttt， t t3 3为阀们全开时间）为阀们全开时间） 试推导灌泄水时间试推导灌泄水时间T T表达式：表达式： 第二节第二节 水力特性曲线的绘制水力特性曲线的绘制 绘制水力特性曲线的目的：绘制水力特性曲线的目的： （1）了解输水过程中所有水力

12、特性的变化情况及其）了解输水过程中所有水力特性的变化情况及其参数的最大值；参数的最大值； （2）进一步进行水力计算的需要，如核算船舶停泊）进一步进行水力计算的需要，如核算船舶停泊条件、阀门工作条件等。条件、阀门工作条件等。1、流量系数与时间关系曲线、流量系数与时间关系曲线o 对于阀门上开小门输水、闸门门下输水以及三角门对于阀门上开小门输水、闸门门下输水以及三角门门缝输水的流量系数均可认为是不变的，而输水孔口面门缝输水的流量系数均可认为是不变的，而输水孔口面积是变化的。积是变化的。o 阀门全开以后的流量系数常数，阀门开启过程中，阀门全开以后的流量系数常数，阀门开启过程中，其值为：其值为：o o

13、（5-30）cvnt1式中：式中：o 瞬时瞬时t，输水系统流量系数；，输水系统流量系数；o 与时间与时间t相当的阀门开度为相当的阀门开度为n时的阀门局部阻力时的阀门局部阻力系数，可按不同阀门型式由表（系数，可按不同阀门型式由表（5.2）选用；）选用； o 阀门井或门槽的阻力系数阀门井或门槽的阻力系数o 对平面阀门对平面阀门 =0.25，对反弧形阀门，对反弧形阀门 =0；o 阀门全开后处理阀门段以外的输水廊道阻力系阀门全开后处理阀门段以外的输水廊道阻力系数，包括进口、拦污栅、转弯、扩大、收缩等局部阻力系数，包括进口、拦污栅、转弯、扩大、收缩等局部阻力系数以及沿程摩阻损失的阻力系数。数以及沿程摩阻

14、损失的阻力系数。tttvnc2、水位差与时间关系曲线、水位差与时间关系曲线o （1）对于可以用解析式表示水位差与时间关系的）对于可以用解析式表示水位差与时间关系的各种输水情况，只要求出各个计算时刻，就可直接得到各种输水情况，只要求出各个计算时刻，就可直接得到各个时刻的水位差值。各个时刻的水位差值。o （2）另外一种方法是分时段逐点计算。对淹没处）另外一种方法是分时段逐点计算。对淹没处流廊道输水的一般情况，在阀门开启过程中任一时段末流廊道输水的一般情况，在阀门开启过程中任一时段末的水位差，当忽略惯性影响时，可按下式计算：的水位差，当忽略惯性影响时，可按下式计算：o o （5-31）212)22(

15、Cgthhmto 阀门全开后，当考虑惯性影响时，任一时段末的水阀门全开后，当考虑惯性影响时，任一时段末的水位差可按下式计算：位差可按下式计算：o （5-32）o 式中：式中：o d惯性水头，惯性水头，m，对集中输水系统可取为零。，对集中输水系统可取为零。212)22(Cgtdhh1701801902002102200150300450600750900t （s）闸室水位（m）-50050100150200250流量（m3/s）流量闸室水位215水位阀门开度 水位流量阀门阀门上阀门( ) 灌水过程阀门开度 水位1.01.51.02.51.52.5关门时间()开门时间()组合一主阀门阀门阀门(b)

16、 泄水过程阀门阀门下阀门流量第三节第三节 船舶停泊条件的估算船舶停泊条件的估算 闸室灌泄水而引起的非恒定流以及局部水流，对船闸室灌泄水而引起的非恒定流以及局部水流，对船舶停泊将产生动水作用力，使系船缆绳产生拉力。舶停泊将产生动水作用力，使系船缆绳产生拉力。由于影响船舶缆绳拉力大小及变化的因素相当复杂，由于影响船舶缆绳拉力大小及变化的因素相当复杂，目前该拉力的确定还不能从理论分析上得到满意的解目前该拉力的确定还不能从理论分析上得到满意的解答，主要借助于水工模型试验。答，主要借助于水工模型试验。一、闸室内船舶的停泊条件一、闸室内船舶的停泊条件 进行缆绳拉力估算时，对船舶在闸室内的停靠和系泊条进行缆

17、绳拉力估算时，对船舶在闸室内的停靠和系泊条件作如下件作如下假设假设： 船舶位于闸室纵轴线上，且没有任何水平位移。船舶位于闸室纵轴线上，且没有任何水平位移。 船舶的竖向位移不影响缆绳拉力的水平分力（浮式系船舶的竖向位移不影响缆绳拉力的水平分力（浮式系船设施）。船设施）。 在这样的条件下，计算得出的船舶所受的动力作用力，在这样的条件下，计算得出的船舶所受的动力作用力，即为缆绳拉力的纵向分力（实验可以测到船舶的横向系缆即为缆绳拉力的纵向分力（实验可以测到船舶的横向系缆力）。闸室灌水时，闸室内船舶将受到波浪运动、纵向流速力）。闸室灌水时，闸室内船舶将受到波浪运动、纵向流速以及局部水流所产生的动水作用力

18、。以及局部水流所产生的动水作用力。1、波浪力、波浪力o 灌水时，闸室内的非恒流所形成的长波运动将使闸灌水时，闸室内的非恒流所形成的长波运动将使闸室水面产生倾斜。当闸室内停泊的船舶（队）的长度等室水面产生倾斜。当闸室内停泊的船舶（队）的长度等于或接近闸室长度时，沿船舶的最大水面坡降为：于或接近闸室长度时，沿船舶的最大水面坡降为：o o （533）)(1xgtQicmo 停泊在倾斜水面上的船舶所受的纵向水平分力（波停泊在倾斜水面上的船舶所受的纵向水平分力（波浪力）浪力）o 考虑到船舶（队）的长度小于闸室长度，且停泊在考虑到船舶（队）的长度小于闸室长度，且停泊在闸室的任意位置上，灌水初期船舶所受的波

19、浪力表达式闸室的任意位置上，灌水初期船舶所受的波浪力表达式为：为：o （5-34）)(xDwtQgwiDPcmbgWim2、流速力、流速力 灌、泄水时，闸室内灌、泄水时，闸室内纵向流速纵向流速对船舶所产生的作用对船舶所产生的作用力和在有限水域中船舶力和在有限水域中船舶航行时受的阻力航行时受的阻力相仿。相仿。 对于集中输水系统，闸室灌水所形成的波浪向下闸对于集中输水系统，闸室灌水所形成的波浪向下闸首推进时，部分流量将用于抬高沿程水位，因而是流首推进时，部分流量将用于抬高沿程水位，因而是流量沿程逐渐减小，考虑到这一情况以及流速在闸室断量沿程逐渐减小，考虑到这一情况以及流速在闸室断面分布的不均匀性，

20、流速力可按船舶阻力的计算公式面分布的不均匀性，流速力可按船舶阻力的计算公式引用相应的系数而得：引用相应的系数而得：o 分散输水系统闸室的纵向水流是由于出水支孔出分散输水系统闸室的纵向水流是由于出水支孔出流不均匀产生的，其值很小，因而在一般情况下，流速流不均匀产生的，其值很小，因而在一般情况下，流速力可忽略不计。力可忽略不计。 在航道整治计算上滩能力时在航道整治计算上滩能力时o 水流阻力：水流阻力： o rFmVVAVfR47 . 183. 1坡降阻力：坡降阻力：eWJRJ航行阻力：航行阻力：RV+RJ (kg)3、局部力、局部力 局部力局部力闸室灌、泄水时，各种局部水流（如漩滚、闸室灌、泄水时

21、，各种局部水流（如漩滚、涡流、紊动等）对停泊船舶的作用力。涡流、紊动等）对停泊船舶的作用力。 由于局部水流的作用非常复杂、至今尚无完善的计由于局部水流的作用非常复杂、至今尚无完善的计算方法，须由水工模型试验加以确定。算方法，须由水工模型试验加以确定。 减小局部力；减小局部力； 集中输水系统集中输水系统消能；消能； 分散输水系统分散输水系统出水支孔的布置及消能措施上考出水支孔的布置及消能措施上考虑，出水支孔应分布在闸室较大的范围内，支孔出流尽虑，出水支孔应分布在闸室较大的范围内，支孔出流尽可能均匀，并充分消能。可能均匀，并充分消能。 分散输水系统的水流是在较大范围内分散流入或流分散输水系统的水流

22、是在较大范围内分散流入或流出闸室，水流对船舶的作用力较小，尤其是在泄水时它出闸室，水流对船舶的作用力较小，尤其是在泄水时它的值更小。因此分散输水系统泄水时，闸室内船舶的停的值更小。因此分散输水系统泄水时，闸室内船舶的停泊条件一般可不加考虑，而只需核算灌水时的停泊条件。泊条件一般可不加考虑，而只需核算灌水时的停泊条件。二、二、 引航道内船舶的停泊条件引航道内船舶的停泊条件 集中与分散输水系统，引航道内船舶的停泊条件计集中与分散输水系统，引航道内船舶的停泊条件计算相同算相同（旁侧泄水例外）（旁侧泄水例外）。 闸室灌、泄水时，在上下游引航道产生的非恒定流，闸室灌、泄水时，在上下游引航道产生的非恒定流

23、，同样会对在引航道中等待过闸的船舶产生动水作用力。同样会对在引航道中等待过闸的船舶产生动水作用力。由于停泊在引航道中的船舶离闸首较远，局部水流对船由于停泊在引航道中的船舶离闸首较远，局部水流对船舶的作用力很小。因此，引航道中船舶所受的动力作用舶的作用力很小。因此，引航道中船舶所受的动力作用为波浪力和流速力之和。为波浪力和流速力之和。 闸室灌（泄）水时，作用于停泊在上、下游引航道闸室灌（泄）水时，作用于停泊在上、下游引航道渐变段（扩散段）末端的船舶（队）的波浪力可按下式渐变段（扩散段）末端的船舶（队）的波浪力可按下式计算：计算：习题课习题课o 一分散式输水系统船闸闸底横支廊道一分散式输水系统船闸

24、闸底横支廊道o 船闸尺度：船闸尺度：180232.5mo 闸室水域面积：闸室水域面积：18023.o 设计水头：设计水头：203177.525.5mo 船舶尺度：船舶尺度：11110.81.6mo 排水量：排水量： 2500t1300to 廊道断面：（宽廊道断面：（宽高）高）3.64.0mo 阀门断面：阀门断面： 3.23.5mo 计算：计算：tv 、T、lp 、波浪力和流速力、波浪力和流速力o2.2 试验条件及标准试验条件及标准o最不利水位组合：最不利水位组合：o上游：上游：203.0m（枢纽正常蓄水位）（枢纽正常蓄水位）o下游：下游：176.5m（下游最低通航水位）（下游最低通航水位）o阀

25、门匀速开启时间阀门匀速开启时间tv=70 s、120 s和和180 s（推荐采用（推荐采用tv=180 s）。）。o灌、泄水时间灌、泄水时间15min。o设计船队：设计船队：21000吨（一字顶推），允许系缆力按吨（一字顶推），允许系缆力按1000吨单船控制，即：吨单船控制，即： o=32.0 (2.1)o=16.0 (2.2)o式中：式中：允许系缆力的纵向水平分力（允许系缆力的纵向水平分力（kN）；）；o允许系缆力的横向水平分力（允许系缆力的横向水平分力（kN）；）；oW单船舶排水量（吨）单船舶排水量（吨）o输水系统各部分负压输水系统各部分负压3m水柱。水柱。o船闸灌、泄水时，水位最大超高（

26、超降）不宜大于船闸灌、泄水时，水位最大超高（超降）不宜大于0.25m。o设计单位提供的水力计算成果见表设计单位提供的水力计算成果见表2.2：编号编号项目项目单位单位计算值计算值1输水时间输水时间min14.232泄水时间泄水时间min143灌水流量系数灌水流量系数0.634泄水流量系数泄水流量系数0.655灌水时阀门开启时间灌水时阀门开启时间s70,120,1806泄水时阀门开启时间泄水时阀门开启时间s70,120,1807闸室船舶系缆力最大值闸室船舶系缆力最大值kN22.028上引航道系缆力最大值上引航道系缆力最大值kN15.439下引航道系缆力最大值下引航道系缆力最大值kN37.1310闸

27、室水面上升速度最大值闸室水面上升速度最大值m/s0.057711闸室水面下降速度最大值闸室水面下降速度最大值m/s0.059612上引航道纵向流速最大值上引航道纵向流速最大值m/s0.5213下引航道纵向流速最大值下引航道纵向流速最大值m/s1.0514灌水时阀门后廊道顶压力水头最小值灌水时阀门后廊道顶压力水头最小值m6.0215泄水时阀门后廊道顶压力水头最小值泄水时阀门后廊道顶压力水头最小值m5.2516灌水时闸室水位最大惯性超高灌水时闸室水位最大惯性超高m0.3517泄水时闸室水位最大惯性超高泄水时闸室水位最大惯性超高m0.318灌水时阀门最小空化数（灌水时阀门最小空化数（n=0.9）3.

28、5319泄水时阀门最小空化数（泄水时阀门最小空化数（n=0.8）2.82第四节第四节 输水阀门后廊道的水力计算输水阀门后廊道的水力计算 船闸输水廊道的阀门通常是在压力作用下工作。船闸输水廊道的阀门通常是在压力作用下工作。当阀门局部开启时，水流通过阀门断面后首先产生收当阀门局部开启时，水流通过阀门断面后首先产生收缩，然后扩大到充满整个廊道。这时阀门后的水力条缩，然后扩大到充满整个廊道。这时阀门后的水力条件主要决定于阀门的淹没水深以及阀门后的通气条件。件主要决定于阀门的淹没水深以及阀门后的通气条件。根据阀门的通气情况，可分为开敞式阀门图根据阀门的通气情况，可分为开敞式阀门图5-21a及及密封式阀门

29、图密封式阀门图5-21b两种。两种。a）开敞式）开敞式 b）密封式）密封式图图5-21 船闸输水闸门通气情况船闸输水闸门通气情况 对于开敞式阀门，有足够的空气从输水阀门的门对于开敞式阀门，有足够的空气从输水阀门的门井或检修门井进入廊道中，虽然阀门后的水流收缩断面井或检修门井进入廊道中，虽然阀门后的水流收缩断面上的压力会下降，但不可能产生很大的负压，而可能在上的压力会下降，但不可能产生很大的负压，而可能在阀门后发生远驱式水跃。这种远驱式水跃对于输水阀门阀门后发生远驱式水跃。这种远驱式水跃对于输水阀门和廊道来说都是不利的，因为相当长的一段廊道内流速和廊道来说都是不利的，因为相当长的一段廊道内流速过

30、大，提高了廊道防冲要求，而且水跃的位置不稳定，过大，提高了廊道防冲要求，而且水跃的位置不稳定，容易碰撞阀门而引起阀门的振动。因此，对于开敞式阀容易碰撞阀门而引起阀门的振动。因此，对于开敞式阀门需核算输水阀门后是否具有产生远驱式水跃的条件。门需核算输水阀门后是否具有产生远驱式水跃的条件。 对于密封式窗门，在阀门局部开放时，会因水流收对于密封式窗门，在阀门局部开放时，会因水流收缩而产生压力下降，并可能产生负压，若压力过低就可缩而产生压力下降，并可能产生负压，若压力过低就可能出现空蚀现象，这对阀门及阀门后一段廊道产生不利能出现空蚀现象，这对阀门及阀门后一段廊道产生不利作用。对于短廊道输水，由于水位差

31、较小，一般不致产作用。对于短廊道输水，由于水位差较小，一般不致产生空蚀，因而只需核算阀门后水流收缩断面处廊道顶部生空蚀，因而只需核算阀门后水流收缩断面处廊道顶部的压力水头。的压力水头。一、开敞式阀门后水跃条件的验算一、开敞式阀门后水跃条件的验算o o 根据图根据图(5-19)可以写出阀门后水流收缩断面可以写出阀门后水流收缩断面c-c以及水流充满以及水流充满整个廊道断面整个廊道断面1-1之间水体的动量方程式：之间水体的动量方程式：o基本式基本式:o可写成可写成:o方程式方程式:o 22)(2121111ccchhphhPvvgq)(1vvQcF212111122)(ccchhphhpvvQ得到阀

32、门后水流充分扩散处廊道顶部的压力水头为得到阀门后水流充分扩散处廊道顶部的压力水头为:o另一方面，从阀门后廊道水流能量损失，可得：另一方面，从阀门后廊道水流能量损失，可得：o )2() 1(21022121haghqPo （5-46）)1 (2) 11(221121nhnghqPPnnco （5-45）二、密封式阀门后压力的计算二、密封式阀门后压力的计算第五节第五节 集中式输水系统的水力计算集中式输水系统的水力计算 主要内容：主要内容： （1）输水阀门处廊道断面面积计算，可按式（）输水阀门处廊道断面面积计算，可按式（5-20）计）计算。算。 （2）输水系统的阻力系数和流量系数。）输水系统的阻力系

33、数和流量系数。 需注意：表中所列出的阻力系数均为理想条件下的值，需注意：表中所列出的阻力系数均为理想条件下的值，即认为局部损失段前后的水流都是均匀流。而在船闸输水系即认为局部损失段前后的水流都是均匀流。而在船闸输水系统中这种条件几乎是不存在的，尤其是在集中输水系统中，统中这种条件几乎是不存在的，尤其是在集中输水系统中，各个局部损失几乎是相连的，有的甚至几个损失都在一起。各个局部损失几乎是相连的，有的甚至几个损失都在一起。 因此，计算值常常与实际情况差别较大，较多的方法是因此，计算值常常与实际情况差别较大，较多的方法是采用采用相近的已建工程资料相近的已建工程资料，否则通过模型试验确定。，否则通过

34、模型试验确定。（4）根据确定的流量系数和阀门开启时间按式（）根据确定的流量系数和阀门开启时间按式（5-19）核算闸室输水时间。若所得的灌泄水时间太长或太长，核算闸室输水时间。若所得的灌泄水时间太长或太长，则应缩小或放大廊道断面尺寸，并再重新计算。则应缩小或放大廊道断面尺寸，并再重新计算。（5）闸室输水的水力特性曲线计算。短廊道输水系统水）闸室输水的水力特性曲线计算。短廊道输水系统水力特性曲线计算应包括下列内容，其计算方法可按本章力特性曲线计算应包括下列内容，其计算方法可按本章的的5.2.2 （水力特性曲线的绘制）进行：（水力特性曲线的绘制）进行： 流量系数与时间的关系曲线；流量系数与时间的关系

35、曲线； 闸室水位与时间的关系曲线；闸室水位与时间的关系曲线； 流量与时间的关系曲线；流量与时间的关系曲线； 能量与时间的关系曲线；能量与时间的关系曲线； 比能与时间的关系曲线；比能与时间的关系曲线； 闸室与上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。闸室与上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。（6）过闸船舶、船队在闸室和上下游引航道内的停泊条件的核）过闸船舶、船队在闸室和上下游引航道内的停泊条件的核算可参考本章的算可参考本章的5.3.3（船舶停泊条件的估算）；（船舶停泊条件的估算）；（7）输水阀门后廊道的水力计算，可参考本章的）输水阀门后廊道的水力计算，可参考本章的5.3.4（输水（输水

36、阀门后廊道的水力计算）。阀门后廊道的水力计算）。一、分散输水系统水力计算的特点一、分散输水系统水力计算的特点 分散输水系统与集中输水系统的布置及水力特点区别：分散输水系统与集中输水系统的布置及水力特点区别： 分散输水系统的廊道较长，须考虑其摩擦阻力及惯性影响；分散输水系统的廊道较长，须考虑其摩擦阻力及惯性影响；如闸室内水面惯性超高（超降）、闸室廊道内最大剩余压力、廊如闸室内水面惯性超高（超降）、闸室廊道内最大剩余压力、廊道转弯段压力以及阀门工作空化数等。道转弯段压力以及阀门工作空化数等。 集中输水水力计算重点如闸室断面平均流速、比能、消能室集中输水水力计算重点如闸室断面平均流速、比能、消能室体

37、积、镇静段长度以及泄水时闸室内船舶的停泊条件等不需进行体积、镇静段长度以及泄水时闸室内船舶的停泊条件等不需进行计算。计算。 相同部分：上、下游引航道内停泊条件及非恒定流计算。相同部分：上、下游引航道内停泊条件及非恒定流计算。u 第六节第六节 分散输水系统的水力计算分散输水系统的水力计算图图5-22 灌泄水末期的惯性水头波动灌泄水末期的惯性水头波动 输水廊道内水体惯性对船闸水力计算的影响有以下几方输水廊道内水体惯性对船闸水力计算的影响有以下几方面：面： （1）惯性影响将缩短闸室的灌泄水时间。在闸室灌、泄）惯性影响将缩短闸室的灌泄水时间。在闸室灌、泄水初期，由于输水有效水头较大，水体惯性对输水时间

38、的影水初期，由于输水有效水头较大，水体惯性对输水时间的影响较小，而灌、泄水后期，输水有效水头较小，水体惯性对响较小，而灌、泄水后期，输水有效水头较小，水体惯性对输水时间的影响相对也就比较显著，大大加快了水面变化速输水时间的影响相对也就比较显著，大大加快了水面变化速度，因而缩短了闸室的灌、泄水时间。另一方面，惯性影响度，因而缩短了闸室的灌、泄水时间。另一方面，惯性影响也造成闸室水面在灌、泄水末期上（下）游的齐平水位为中也造成闸室水面在灌、泄水末期上（下）游的齐平水位为中心波动，见图心波动，见图5-22。 （2）不同的分散输水系统布置，其水流惯性对船闸闸室）不同的分散输水系统布置，其水流惯性对船闸

39、闸室内传播的受力影响是不同的。内传播的受力影响是不同的。 （3）廊道内水体惯性的影响还将使阀门后水流收缩断面）廊道内水体惯性的影响还将使阀门后水流收缩断面处的压力有所升高。处的压力有所升高。二、分散输水系统水力计算的主要内容二、分散输水系统水力计算的主要内容o 分散输水系统的水力计算应包括下列主要内容：分散输水系统的水力计算应包括下列主要内容：o （1）输水阀门处廊道断面面积计算，在初步计算时可）输水阀门处廊道断面面积计算，在初步计算时可先不考虑惯性影响按式（先不考虑惯性影响按式（5-20）计算，其中）计算，其中 取取0.40.6 ， 取取0.60.8；o （2）输水系统的阻力系数和流量系数。

40、分散输水系统）输水系统的阻力系数和流量系数。分散输水系统各局部阻力不象集中输水系统那样结合得紧密，因而一各局部阻力不象集中输水系统那样结合得紧密，因而一般可以将各局部阻力系数相加求得其总阻力系数。由于般可以将各局部阻力系数相加求得其总阻力系数。由于分散输水系统的廊道长度较大，水流沿程的摩阻损失不分散输水系统的廊道长度较大，水流沿程的摩阻损失不容忽视，其值可参考相关规范；容忽视，其值可参考相关规范；vk（3）输水廊道的换算长度和惯性超高（降）值。）输水廊道的换算长度和惯性超高（降）值。 分散输水系统的惯性超高（降）值可按式（分散输水系统的惯性超高（降）值可按式（5-26）计算。式（计算。式（5-

41、10）为流量沿程不变情况下，串联廊道）为流量沿程不变情况下，串联廊道换算长度的计算公式。以下将介绍分散输水系统中，两换算长度的计算公式。以下将介绍分散输水系统中，两种典型的廊道系统换算长度的计算。种典型的廊道系统换算长度的计算。 具有出水支孔段的廊道换算长度具有出水支孔段的廊道换算长度 由于出水支孔出流的影响，沿出水支孔段廊道的流由于出水支孔出流的影响，沿出水支孔段廊道的流量是变化的（图量是变化的（图5-23），廊道换算长度可按下式计算：），廊道换算长度可按下式计算：图图5-23 出水支孔段的廊道换算长度出水支孔段的廊道换算长度 由于分散输水系统中各支孔出流是不均匀由于分散输水系统中各支孔出流

42、是不均匀的，而且是非恒定的，因而精确计算出水支孔的，而且是非恒定的，因而精确计算出水支孔段廊道的换算长度是比较困难的。在实际工作段廊道的换算长度是比较困难的。在实际工作中，当出水支孔数大于中，当出水支孔数大于15时，出水支孔段廊道时，出水支孔段廊道的换算长度可取为该段廊道长度的一半，即的换算长度可取为该段廊道长度的一半，即（L为出水支孔段的廊道长度）。为出水支孔段的廊道长度）。图5-24并联分支廊道的换算长度（4）分散输水系统的输水时间，应根据确定的流量系数和惯性）分散输水系统的输水时间，应根据确定的流量系数和惯性超高、超降值以及阀门开启时间按式（超高、超降值以及阀门开启时间按式（5-29）核

43、算。）核算。（5）闸室输水的水力特性曲线计算。短廊道输水系统水力特性）闸室输水的水力特性曲线计算。短廊道输水系统水力特性曲线计算应包括下列内容：曲线计算应包括下列内容： 流量系数与时间的关系曲线；流量系数与时间的关系曲线； 闸室水位与时间的关系曲线；闸室水位与时间的关系曲线； 流量与时间的关系曲线；流量与时间的关系曲线； 阀门阀门门井水位门井水位与时间的关系曲线；与时间的关系曲线； 能量与时间的关系曲线；能量与时间的关系曲线； 上下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线；上下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线；o 本章的本章的5.3.2中已说明不考虑阀门开启过程，而仅近似中已说明不考虑阀门开启

44、过程，而仅近似考虑阀门全开后惯性影响的闸室灌、泄水水位过程线绘考虑阀门全开后惯性影响的闸室灌、泄水水位过程线绘制方法，现再补充考虑阀门全开过程惯性影响的近似分制方法，现再补充考虑阀门全开过程惯性影响的近似分析法如下：析法如下：o 利用不考虑惯性影响得出的利用不考虑惯性影响得出的 ， 及及 ，然后按，然后按 tfHt tfQt tfdtdQdtdQgldtdgldppt（5-53）ttttdHgQ2 tfHt 可求出各瞬时的惯性水头，再和这时的水头可求出各瞬时的惯性水头，再和这时的水头Ht相加，相加，然后重新计算然后重新计算 和和和和。 o 在灌、泄水期，可近似地直接在不考虑惯性影响的水在灌、泄

45、水期，可近似地直接在不考虑惯性影响的水位曲线末了，直接再加上或减去惯性水头值位曲线末了，直接再加上或减去惯性水头值d，而得考，而得考虑惯性影响后的水位过程线。虑惯性影响后的水位过程线。o （5）过闸船舶、船队在闸室和上下游引航道内的停泊）过闸船舶、船队在闸室和上下游引航道内的停泊条件的核算可参考本章的条件的核算可参考本章的5.3.3（船舶停泊条件的估（船舶停泊条件的估算）。算）。o （6）输水阀门后廊道的水力计算，可参考本章的）输水阀门后廊道的水力计算，可参考本章的5.3.4（输水阀门后廊道的水力计算）。（输水阀门后廊道的水力计算）。（7）廊道转弯段内侧的最低压力水头）廊道转弯段内侧的最低压力

46、水头o 由于分散输水系统的水头较高，廊道内流速较大，若由于分散输水系统的水头较高，廊道内流速较大，若廊道曲率过小，廊道转弯段内侧压力有可能很低而发生气廊道曲率过小，廊道转弯段内侧压力有可能很低而发生气蚀。因此，须核算其转弯段内侧的最低力水头。对矩形断蚀。因此，须核算其转弯段内侧的最低力水头。对矩形断面廊道，计算公式如下：面廊道，计算公式如下：gvcHHppi22（8）分散输水系统输水阀门底缘空穴数的计算。）分散输水系统输水阀门底缘空穴数的计算。o 分散输水系统的灌水阀门一般应采用密封式阀门，分散输水系统的灌水阀门一般应采用密封式阀门，以防止灌水过程中空气进入闸室，恶化船舶停泊条件。以防止灌水过

47、程中空气进入闸室，恶化船舶停泊条件。由于分散输水系统的水头较高，因此除了应计算阀门后由于分散输水系统的水头较高，因此除了应计算阀门后水流收缩处的压力外，尚应进行阀门空穴数计算，以判水流收缩处的压力外，尚应进行阀门空穴数计算，以判断是否会发生空化，并采取相应的措施。断是否会发生空化，并采取相应的措施。o 密封式输水阀门底缘工作空穴数定义为：密封式输水阀门底缘工作空穴数定义为：o gvppkva2/)(2图5-26 大气压力与高程的关系曲线 图5-27水的汽化压力与温度的关系曲线 思考题思考题: :o 1 1、惯性力对船闸灌、泄水有哪些影响？、惯性力对船闸灌、泄水有哪些影响？o 2 2、简述廊道负压与空蚀、空化的内在联系。、简述廊道负压与空蚀、空化的内在联系。o 3 3、集中输水和分散输水的区别是什么？、集中输水和分散输水的区别是什么？局部阻力系数表局部阻力系数表 表5-1阀门阻力系数与收缩系数值表 表5-2