明渠恒定均匀流教程ppt课件.ppt

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1、《水力学》合肥工业大学土木与水利工程学院主讲：曹广学5.明渠恒定均匀流5.明渠恒定均匀流本章内容介绍:§5.1明渠的类型§5.2明渠均匀流的特征及其产生条件§5.3明渠均匀流计算公式(基本公式)§5.4水力最佳断面及允许流速明渠均匀流水力计算(计算类型)§5.5粗糙度不同的明渠及复式断面明渠水力计算重点掌握:1、明渠均匀流特征及其产生条件2、水力最佳断面3、明渠均匀流计算5.明渠恒定均匀流5.明渠恒定均匀流明渠是一种具有自由表面的水流渠道,根据它形成方式不同可分为天然明渠和人工明渠。输水渠道，无压隧洞，渡槽，涵洞为人工明渠；天然河道属于天然明渠。明渠水流由于有自由表面，表面上各点

2、受到大气压强的作用，相对压强为零，明渠水流为无压流。5.明渠恒定均匀流5.明渠恒定均匀流明渠水流的分类：根据运动要素的变化情况和流线情况，明渠水流可分为恒定流和非恒定流；均匀流和非均匀流。明渠中水流运动要素不随时间而变化时，称为明渠恒定流，否则称为非恒定流。明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，则水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，称为明渠恒定均匀流，如果流线不是平行直线，则称为明渠恒定非均匀流。5.明渠恒定均匀流§5明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流的受力情况在产生均匀流的明渠中取一单位长度的流段ABCD分析ABCDG1、流段水体重为G2、周界的摩阻力为Ff3、流段两端的动水压力

3、为FP1,FP2,作用于流段上的外力在流动方向上的分力的合力等于零FfFP1FP2Gsinθ5.明渠恒定均匀流§5明渠恒定均匀流ABCDGFfFP1FP2Gsinθ上式表明：明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向上的分力平衡。当：明渠产生非均匀流。5.明渠恒定均匀流§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响§5.1.1明渠的横断面前面分析了明渠产生均匀流所要求的力的条件是摩阻力与重力在水流方向上的分力相等，下面分析明渠断面几何条件对水流流动状态的影响。横断面:由过渠道中心线垂直的铅垂面与渠底及渠壁的交线构成。过水断面:指与流向相垂直的断面，除了包括渠道轮廓外还包括水面轮廓。一般来

4、讲，过水断面与渠底平面相垂直，与铅垂面之间形成夹角θ。5.明渠恒定均匀流§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水力要素。边坡系数：梯形断面两侧倾斜程度用边坡系数来表示：5.明渠恒定均匀流§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水力要素关系如下：水面宽度：B=b+2mh过水断面面积：A=(b+mh)h湿周：水力半径：5.明渠恒定均匀流§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响棱柱体渠道和

5、非棱柱体渠道按渠道横断面形状和尺寸沿流程是否变化来划分。凡是断面形状及尺寸及底坡沿程不变的长直渠道称为棱柱体渠道，反之称为非棱柱体渠道。非棱柱体渠道由于断面形状底坡发生变化，流线不是平行直线，所以不可能产生均匀流。1-1断面2-2断面3-3断面5.明渠恒定均匀流§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响§5.1.2纵断面、明渠的底坡底坡：明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符号i表示，i等于渠底线与水平线夹角正弦即i＝Sinθ。顺坡：i>0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。平坡：i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。5.明渠恒定均匀流

6、§5.1明渠的类型及其对水流运动的影响§5.1.2纵断面、明渠的底坡平坡和逆坡时都不能产生均匀流，只有顺坡时才有可能。因为平坡时：逆坡时：的方向与摩阻力方向相同，不可能有等式：因此只能在正坡渠道才可能形成均匀流。正常水深：明渠做均匀流动时的水深。5.明渠恒定均匀流§5.2明渠均匀流的特性及其产生条件§5.2.1明渠均匀流的特性1、均匀流过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变2、过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变;因而,水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。3、即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。J=Jz=i。iJzJL’h’h’hhL5.明渠恒定均匀流§5.2明渠

7、均匀流的特性及其产生条件§5.2.2明渠均匀流产生的条件1、水流应为恒定流2、长直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变3、流量沿程不变，无支流的汇入和流出4、渠道中无局部干扰只有在满足上述四个条件的明渠中才能形成均匀流。工程中要完全满足上述四个条件是困难的，严格来讲，真正的明渠均匀流是很少的，但在工程中有不少水流(如较长的而没有建筑物的棱柱形正坡明渠中的水流)基本上满足上述条件，都可以近似地按均匀流来分析和计算。5.明渠恒定均匀流§5.3明渠均匀流的计算公式明渠均匀流计算的基本公式