工程流体力学 下册 问题导向型 教学课件 作者 丁祖荣 工流C6－1.ppt

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1、C6明渠流动及其二维模型1、明渠的横截面：与渠壁接触的水体横截面，在水力学中称为过水断面，本书简称为截面；且以矩形和梯形为主。通过本章学习，应掌握明渠流动基本概念、基础理论和分析方法，了解常见的水力学现象，为今后学习有关专业课程打下基础。环境、土木、农业工程涉及明渠流动问题。本章以矩形截面的人工明渠为主要研究对象，建立二维模型；求解和分析定常均匀流的速度剖面、阻力公式和流动形态；并涉及非均匀渐变流和急变流问题。C6.1明渠流基本知识一、几何性质2、棱柱体明渠：截面、底坡沿流程不变的直长明渠。本章仅讨论棱柱体明渠。矩形和梯形截面的明渠分别简称为矩

2、形和梯形明渠。梯形截面中称为边坡角,称为边坡系数。横截面面积A湿周水力半径R水面宽B矩形梯形3、明渠的底坡称为渠底坡度，简称底坡。纵剖面与渠底面交线称为底坡线,底坡线与水平线夹角为底坡角。平原和丘陵地区河流底坡很小()。为便于计算实际水深用重力方向的铅垂水深代替,底坡线长度用底坡线的水平投影长度代替,即。为顺坡明渠;为逆坡明渠;为平坡明渠。在明渠流分析中，常将渠道底坡线、水面线和能量坡度线（总水头线）放在一起作比较。(1)按时间变化分为定常流(默认)和不定常流。二、运动学性质及分类(4)按参数沿程变化剧烈程度，非均匀流分为渐变流与急变流。当矩形

3、截面扁长()时称为宽浅明渠，在纵向对称面上可简化为二维流动。当流程尺度()远大于截面尺度时，可简化为沿流程的一维流动模型；截面上的参数用平均值表示。一维明渠流连续性方程(2)按空间变化分为均匀流(默认)和非均匀流。一维明渠流当水深沿程保持不变时为均匀流，(3)按流动的缓急状态分为缓流与急流；在均匀流中对应的底坡称为缓坡与陡坡。渐变流水深沿程变化比较缓慢,水深变化梯度很小；急变流水深沿程变化剧烈,水深变化梯度较大。明渠定常流几种运动形态的纵剖面示意图：1(闸门出口)、3(水跃)、5(堰流)、7(水跌)为急变流；2、4为缓坡上的均匀流(缓流)，8为

4、陡坡上的均匀流(急流)；6为平坡上的渐变流。三、动力学性质1、雷诺准则工程明渠水力半径大,属层流的几率小，雷诺数都超过临界雷诺数,属于湍流型态。大多数自然明渠流处于完全粗糙区，许多人工明渠流处于粗糙过渡区。2、弗劳德准则明渠流中弗劳德数为式中为截面平均速度，为水深。明渠定常流中惯性力是速度沿程变化引起的迁移惯性力;重力影响表现为水深。描述非均匀渐变流速度、水深和水面形状变化时数是一个判别准则。在功能和形态上明渠流与管道网十分相似;二者都属于壁面湍流。原则上可以把圆管湍流的理论和公式移植到明渠流动中来。C6.2问题：明渠流与圆管流有何差别但明渠流

5、还具有许多明显不同于圆管流的特点：明渠流截面折角域区存在二次流，造成复杂流场。1、截面形状存在明显差别问题是：如何建立既反映流动基本特性又便于数学分析的明渠流动模型？将壁面湍流模型运用于明渠流动得到的速度剖面与圆管流动有何不同？2、壁面状况存在明显差别圆管流是压差力；重力是明渠流唯一驱动力。3、流体驱动力明显差别明渠流除雷诺准则外有弗劳德准则，后者在决定明渠流动的各种形态中起什么作用？为什么有的形成急流，有的形成缓流？同样是定常流为什么有的形成均匀流，有的形成非均匀流？圆管穆迪图中等效粗糙度在以下，人工明渠在以上，自然明渠可达。明渠阻力公式与圆

6、管阻力公式有什么关系？反映明渠流阻力特点的谢齐系数和曼宁系数与管道流中的达西摩擦因子有何区别和联系？4、明渠流有自由液面而圆管流没有自由液面除影响截面速度分布外，还与许多水力学现象有关。如在均匀流中自由液面与底坡平行，在非均匀流中自由液面与底坡不平行。上述四条差别提出了明渠流应研究的问题。C6.3明渠流场分析C6.3.1实验与观察在直圆管流动中，速度呈轴对称分布。轴对称面上的二维流场就代表了整个圆管内的流场。整个内壁面上的切应力是均匀分布的。(1)垂直方向等速度线不对称；最大速度不在几何中心或液面中点，而在液面以下。上图为矩形明渠截面速度分布测

7、量结果。它说明：(4)角域区剖面线形状变化剧烈，说明流场复杂。(3)水平方向等速度线基本对称，但在不同水平位置形状不相同(未画出)。(2)最大速度下降程度不同，越靠近角域区下降越多。用热线测速仪测量窄矩形渠道角域区流场。角域二次流使壁面附近纵向等速度线发生扭曲。侧壁面光滑时最大速度位于自由液面上(实线),侧壁面粗糙时最大速度区下移(虚线),离侧壁越近的纵向速度剖面受影响越大。角域区纵向等速度线分布图。明渠壁面切应力分布图表明,切应力在角点和液面处为零,在壁面中心区分布较均匀。C6.3.2二维明渠均匀流建模与分析根据普朗特混合长度理论，在大雷诺数

8、条件下近壁区的流场可用壁面湍流普适速度分布律描述。图为在宽浅矩形明渠截面上测量的等速度线图。中心区域流线平行分布。通常将光滑壁明渠二维近似的条件定为，