明渠恒定非均匀流

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1、水力学课件重庆电力高等专科学校全国高职高专水利水电类精品规划教材第七章明渠恒定非均匀流明渠水流的三种型态及其判别缓流、急流的转换现象—水跌与水跃明渠恒定非均匀渐变流基本方程棱柱体渠道恒定非均匀渐变流水面线分析明渠恒定非均匀渐变流水面线分析弯道水流简介人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。明渠非均匀流分为明渠非均匀渐变流（流线间的夹角小）和明渠非均匀急变流（流线间的夹角大）。本章着重研究明渠中恒定非均匀渐变流的基本特性及其水力要素（主要是水深

2、）沿程变化的规律。具体地说，就是要分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等。通常把明渠均匀流的水深称为正常水深h0。7-1明渠水流的三种型态及其判别一、明渠水流的三种流态明渠水流有和大气接触的自由表面，与有压流不同，具有独特的水流流态，即:缓流临界流急流当时，水流为急流，干扰波不能向上游传播。静水中传播的微波速度称为相对波速。当时，水流静止，干扰波能向四周以一定的速度传播。当时，水流为缓流，干扰波能向上游传播。当时，水流为临界流，干扰波不能向上游传播。（一）明渠中微波传播的相对波速（

3、二）流态的判别数—佛汝德数Fr当Fr＜1，水流为缓流；当Fr＝1，水流为临界流；当Fr＞1，水流为急流。佛汝德数的物理意义是：过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方。佛汝德数的力学意义是：代表水流的惯性力和重力两种作用的对比关系。（P138)二、断面单位能量、临界水深明渠中水流的流态也可从能量的角度来分析。1、断面单位能量如图所示渐变流，若以0-0为基准面，则过水断面上单位重量液体所具有的总能量为如果我们把参考基准面选在渠底这一特殊位置，把对通过渠底的水平面所计算得到的单位能量称为断面比能，并以

4、来表示当流量Q和过水断面的形状及尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数，即Es＝f(h)，以图表示则称为:比能曲线。二、断面单位能量、临界水深2、临界水深因而对断面比能曲线有当流量和过水断面形状及尺寸给定时，利用上式即可求解临界水深。可以用临界水深hk和实际水深h的大小，来判别流态：相应于断面单位能量最小值的水深称为临界水深，以表示。由临界流方程当，为急流。当，为缓流，当，为临界流，为单宽流量。（1）矩形断面明渠临界水深的计算（2）断面为任意形状时，临界水深的计算试算法图解法若明渠断面形状不规则，过水面积A与水深

5、之间的函数关系比较复杂，把这样的复杂函数代入条件式，不能得出临界水深的直接解。在这种情况下，一般只能用试算法或图解法求解。可以假定若干个水深h，从而可算出若干个与之对应的值，当某一值刚好与相等时，其相应的水深即为所求的临界水深。当给定流量Q及明渠断面形状、尺寸后，式的左端为一定值，该式的右端乃仅仅是水深的函数。A、试算法在该图的轴上，量取其值为的长度，由此引铅垂线与曲线相交于C点，C点所对应的h值即为所求图解法的实质和试算法相同。当假定不同的水深h时，可得出若干相应的值，然后将这些值点绘成关系曲线图（见图）B、

6、图解法（3）等腰梯形断面临界水深的计算现给定若干个值，则可得若干组对应的和的值。利用这若干组对应的和值，以为横坐标，以为纵坐标，画出关系曲线。从而可算出梯形断面的值。求出与梯形断面底宽相等的矩形断面的临界水深根据梯形断面已知m,b值算出由关系曲线上查出相应的值，当求解梯形断面临界水深时，三、临界底坡、缓坡与陡坡到目前我们知道了三种水深：均匀流正常水深非均匀流水深临界水深明渠均匀流的正常水深h0恰好与临界水深hk相等时，此坡度定义为临界底坡。若已知明渠断面形状及尺寸，当流量一定时，均匀流情况下可将底坡与渠中正常水

7、深的关系绘出。在临界底坡上作均匀流时，满足临界流的条件式另一方面又要同时满足均匀流的基本方程式联立可得临界底坡的计算式为一个坡度为i的明渠，与其相应（即同流量、同断面尺寸、同糙率）的临界底坡相比较可能有三种情况：为缓坡为陡坡为临界坡在明渠均匀流的情况下，用底坡的类型就可以判别水流的流态，即在缓坡上水流为缓流，在陡坡上水流为急流，在临界坡上水流为临界流。这种判别只能适用于均匀流的情况，在非均匀流时就不一定了。7-2缓流、急流的转换现象—水跌与水跃缓流和急流是明渠水流两种不同的流态，当水流从一种流态向另一种流态转换

8、时，会产生局部的水力现象——水跌和水跃。一、水跌当水流从缓流变为急流时，水深从大于临界水深减至小于临界水深过程中水流会产生平顺而急剧的降落，这种局部水力现象称为水跌。水跃自水深小于临界水深跃入大于临界水深，其间必经过临界水深。它一般发生在明渠纵向边界突然降低的地段，例如：（1）当缓坡渠道末端自由跌落时上图所示的自由跌落是水跌的一个特例。跌落水面必经过临界水深，但上坎缘处水深小于临界水深