水力学课件 第六章_明渠恒定流.ppt

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1、第六章明渠恒定流§6—1明渠的分类§6—2明渠均匀流的特征§6—3明渠均匀流的基本关系式§6—4明渠水流最优断面和允许流速§6—5明渠均匀流水力计算的基本问题§6—7明渠非均匀流的产生条件及特征§6—8明渠非均匀流中的若干概念§6—9水跃§6—10明渠非均匀流渐变流的水面曲线分析明渠是一种具有自由表面水流的渠道。明渠水流与有压管流不同，它具有自由表面，表面上各点受当地大气压强的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。明渠水流根据其运动要素是否随时间变化分为恒定流动与非恒定流动。根据其运动要素是否随流程变化，分为均匀流动与非均匀流动。在明

2、渠非均匀流中，根据水流过水断面的面积和流速在沿程变化的程度，还分为渐变流动和急变流动。§6—1明渠的分类1．棱柱形渠道与非棱柱形渠道凡断面形状、尺寸及底坡沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。棱柱形渠道的过水断面面积ω仅随水深h而变化，即ω=f(h)。非棱柱形渠道的过水断面面积ω大小是水深h及其水流沿程距离s的函数，即ω＝f(h，s)。断面规则的长直人工渠道及涵洞是典型的棱柱形渠道。渠道的断面形状有梯形、矩形、圆形和抛物线形等多种。2．顺坡、平坡和逆坡渠道在纵剖面上，渠底便成一条斜直线，这一斜线即渠道底线的坡度便是渠道底

3、坡i。渠底高程沿程降低的底坡为正坡，即i>o，称为顺坡；渠底水平时，i=0，为平坡；渠底高程沿程升高时为负坡，即i

4、总压力P1和P2大小相等，方向相反，互相抵消，得：Gsinθ=F流动方向受力：1重力G、2阻力F、3两端断面上的水压力P1和P2。上式表明：1）明渠均匀流中阻碍水流运动的摩擦阻力F与使水流运动的重力在水流方向上的分力(即推力)Gsinθ相平衡。2）说明了反映水流推力的底坡sinθ=i和反映对水流的摩擦阻力的粗糙系数n必须沿程不变才能维持明渠均匀流。Gsinθ=F1）明渠中的水流必须是恒定流动，流量保持不变，沿程没有水流分出或汇入；2）明渠必须是长而直的顺坡(i>0)棱柱形渠道，即要求坡底i沿程不变；3）渠道粗糙情况沿程不变；4）且没有建筑

5、物的局部干扰。实际多为明渠非均匀流动。但是，对于顺直的正底坡棱柱形明渠，只要有足够的长度，总是有形成均匀流动的趋势.2．形成条件§6—3明渠均匀流的基本关系式R——水力半径(m)J——水力坡度；C——水流的流速系数，亦称谢才系数（）。明渠均匀流中，J=i；故谢才公式亦可写成：(6-9)明渠水流一般属于紊流阻力平方区。Q=ωvK——明渠水流的流量模数，单位与流量相同。谢才系数通常采用曼宁公式和巴甫洛夫斯基公式来确定：明渠均匀流的情况下，水深为正常水深h0，相应的过水断面面积为ω0，水力半径为R0，谢才系数为Co，则流量模数为：或谢才系数C是

6、反映断面形状尺寸和粗糙程度的一个综合系数。C与过水断面的水力半径R和粗糙系数n有关，而n值的影响远比R值大。正确地选择渠道壁面的粗糙系数n对于渠道水力计算成果和工程造价的影响颇大。§6—4明渠水力最优断面和允许流速1．水力最优断面在设计渠道时，坡底i一般随地形条件而定，粗糙系数n取决于渠壁材料，故渠道输水能力Q只取决于断面大小和形状。当i，n及ω大小一定，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。当i，n，及ω给定，则水力半径R最大或湿周X最小的断面能通过最大的流量。当面积ω为定值，边界最小的几何图形是圆形。在天然土壤中开挖的

7、渠道，一般采用梯形断面,m与土壤性质有关。当i，n及ω一定，湿周最小时，通过的流量最大。X＝f(h)有极小值的条件：梯形水力最优断面的宽深比值：当m=0时（矩形）：：渠道免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；：渠道免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。2．渠道的允许流速设计渠道，还应使渠道的设计流速不应大到使渠床遭受冲刷，也不可小到使水中悬浮的泥沙发生淤积。§6—5明渠均匀流水力计算的基本问题1．验算渠道的输水能力（对已建成渠道）已知m、b、h、n和i，求其输水能力Q。2．设计渠道底坡已知土壤或护面材料、设计流量及断面的几何尺寸，

8、即已知n、Q和m、b、h各量，求所需要的底坡i，需求两个未知量(b和h)，可能有许多组b和h的数值能满足这个方程式。3．决定渠道断面尺寸在设计一条新渠道时，一般已知流量Q、渠道底坡i边坡系数加