计算止回装置开度、撞击力和水头损失的方法

3.1.2.1　拍门受力分析及计算

对拍门在水中进行受力分析，除水流冲力较复杂外，其他力可直接求出。

如果将拍门的水流冲力看作是射流冲力，根据动量定理，并设水泵的流量为Q（m3/s），在管（流道）的出口处水流流速为v（m/s），则水流冲力P（N）为

式中，ρ——水体密度（kg/m3）；

φ——修正系数，计算时近似取φ=1。

而拍门在实际工作时，拍门平面与水流向不可能成垂直角度。因此，对于圆形流道圆形拍门的水流冲力的计算，由于拍门和管（流道）出口均为圆形，且同高，因此拍门实际所受到的水流冲力[1，2]应为

式中，α——拍门开启角度。

当管（流道）中心线与水平面有一定角度α0时，水流冲力为

式中，α0——管（流道）中心线与水平面的夹角。

拍门关闭时，可选用能量法计算其产生的撞击力。拍门门体为硬质材料，看作是不变形的刚体，门框四周的缓冲部分为橡皮材质，看作是无质量的弹性体。在关闭撞击过程中，不考虑塑功、热能、声能等能量损失，根据能量守恒关系，拍门运动过程中的动能和其他外力所做的功都应转化为缓冲橡皮的弹性变形能。

设门座上缓冲橡皮集中于拍门的撞击中心处，门外水压力P y（以静水压力计算）、运动阻力R的作用点距上部铰的距离与撞击中心距上部铰的距离之比分别为m、n，撞击开始前拍门运动角速度为ωm，最大撞击力为N，橡皮压缩变形为δ，则撞击过程中有：

由弹性力学可知，橡皮受压时：

式中：l——橡皮块厚度（m）；

S——拍门关闭撞击时橡皮块与拍门的接触面积（m2）；

E——橡皮弹性模量（N/m2）。

将式（3.5）代入式（3.4）式可得

解式（3.6）可得拍门的最大撞击力[3，4]：

式中，J p——拍门绕轴转动时的转动惯量（kg·m2）。

3.1.2.2　整体式拍门开启角度的计算

通过对作用于拍门的各力进行分析，若各力可分别求出，则拍门的开启角度可通过计算求得。设门体重心、浮心距上部铰的距离分别为L g和L w，水流冲力的合力、外施拉力作用点距离上部铰的距离分别为L c和L l，则作用于拍门上的各力对上铰的力矩平衡方程为

式中，β——外施拉力F作用线与拍门平面法线的夹角。

设，将P c看作射流冲力，并设φρQv L c=M c，FL l=M F，

则式（3.8）可写成

将式（3.10）按sinα或cosα展开成高次方程，无求根公式可解，现以抛物线逼近法并将sinα表示成cosβ的函数关系作近似计算。设

当时，分别有

于是可得

另有(www.xing528.com)

因此，拍门开启角度计算式[1]为

若拍门自由起落（无外施拉力），M F=0，则有

若设，则式（3.16）可写成

如果管（流道）中心线与水平面成α0夹角，则拍门的开启角度可依据下式（3.18）计算[2，5]

若拍门前管（流）道水平布置，门外两边有侧墙，则开启角度可按下式计算

3.1.2.3　拍门水头损失计算

拍门安装在管（流道）的末端，使得管（流道）产生突然变化，必将引起管（流道）出口处水流流向急剧改变，从而引起相应的水头损失。

带拍门的管（流道）出口损失可看作是局部水力损失，依据能量关系，设拍门前后过水断面平均流速（m/s）和管（流道）的中心压力（Pa）分别为v 1、v 2和p 1、p 2，则根据伯努利（Bernoulli）方程有

式中，Δh——带拍门的管（流道）出口水头损失（m）；

ρ——水体密度（kg/m3）；

g——重力加速度（m/s2）。

由此可得

水头损失包括压头损失和动能头损失两部分。

突然扩大的管（流道）出口的水头损失可表达为

式中，ζc——水头损失系数，

ω1和ω2——管（流道）变化前后的断面面积；若出口为明渠时，ω2即为过流面积。

由式（2.21）和（2.22）可得出仅因拍门存在而造成的水头损失（设为Δh p）表达式

若管（流道）出口为容积很大的出水池或水库，则v 2≈0，上式变为

式中，ζp——拍门的水头损失系数。

对分析的问题进行简化，可将带拍门的管（流道）出口总水头损失看成两部分构成，包括“拍门”部分和“出口”部分，即

当ω2足够大即v 2≈0时，ζc=1，可近似推算特定情况下带拍门的管（流道）出口处的水头损失：

式中，ζ——总水头损失系数。

实际计算时，可采用下式近似计算拍门水头损失系数[2，6]：

式中，α——拍门开启角度（°）；

α0——门前流动方向以水平面为基准上翘角度（°）。