第七章-明渠流动ppt课件.ppt

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1、第七章明渠恒定流动本章主要介绍流体流动的基本方程在无压流中的应用。首先介绍明渠均匀流的产生条件、水力特征、基本方程式及其水力计算问题。接着介绍明渠非均匀流的流动状态——缓流、急流、临界流，明渠非均匀流的基本概念：断面单位能量、临界水深、临界底坡等，并在棱柱形渠道非均匀流基本公式的基础上对水面曲线作了定性的分析与定量的计算。本章最后介绍了水跃与水跌的基本概念。明渠：人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。明渠流动：水流的部分周界与大气接触，具有自由表面的流动，又称为无压流。明渠流1，明渠流2特点：1、有自由表面，各断面表压强都是大气压，

2、重力对流动起主要作用。2、明渠底坡的改变对流速和水深有直接影响。坡度增大，则流速增大，水深减小7.1明渠的分类(1)按断面形状、尺寸是否沿程变化，分为棱柱形与非棱柱形渠道。凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，A=f(h)。否则称为非棱柱形渠道，A=f(h,s)。明渠断面形状有：梯形：常用的断面形状矩形：用于小型灌溉渠道当中抛物线形：较少使用圆形：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中复合式（如下图）：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中(2)按渠道底坡的不同，分为顺坡、平坡和逆坡渠道。明渠底面一般是个倾斜平面，它与渠道纵剖面的交

3、线称为渠底线，如图7‑2所示。渠底线与水平线交角θ的正弦称为渠底坡度，用i表示。（7-1）（7-2）一般θ很小，可以认为l≈lx。i>0称为顺坡，i=0称为平坡，i<0称为逆坡7.2明渠均匀流明渠均匀流：明渠均匀流是流线为平行直线的明渠恒定流。1.明渠均匀流的特征及形成条件明渠均匀流的特征：(1)明渠均匀流中水深、流速分布、断面平均流速均沿程不变；(2)总水头线、水面线及渠底线三线平行，如图7‑4所示，亦就是说，明渠均匀流的水力坡度J、测压管线坡度Jp及渠底坡度i彼此相等，即J=Jp=i（7‑3）在图7-4所示均匀流动中取出断面1-1和断

4、面2-2之间的水体进行分析，作用在水体上的力有重力G、阻力F、两断面上的动水压力P1和P2，写流动方向的平衡方程：P1+Gsinθ-F-P2=0(3)明渠均匀流动中阻碍水流运动的摩擦阻力F与促使水流运动的重力分量Gsinθ相平衡，即Gsinθ=F可见，明渠均匀流的条件是沿程减少的位能等于沿程水头损失，则其只能出现在底坡沿程不变，断面形状尺寸、粗糙系数都不变的顺流当中，非棱柱渠道及平坡、逆坡都不能形成均匀流。形成条件：1）底坡和粗糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道；2）渠道必须为顺坡(i>0)；3）渠道中没有建筑物的局部干扰；4）明渠中的水流

5、必须是恒定的，沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变。2.明渠均匀流基本公式谢才公式：流量：（7-5）（7-6）其中：或巴普罗夫斯基曼宁3.明渠水力最优断面和允许流速（1）水力最优断面将谢才系数C=R1/6/n代入明渠均匀流基本公式(7-5)，得由上式可知，明渠均匀流输水能力的大小取决于渠底坡度、渠壁粗糙系数以及渠道过流断面的形状和尺寸。在设计渠道时，底坡i一般随地形条件而定，粗糙系数n取决于渠壁材料，故在此情况下渠道输水能力Q只取决于断面的大小和形状。从设计的角度考虑，希望在A、i、n一定的条件下，使设计出的渠道通过能力Q=Qmax；或在Q

6、、i、n一定的条件下，使设计出的渠道过流面积A=Amin，以减少工程量。满足上述要求的渠道过流断面称为水力最优断面。从式(7-6)可以看出，当i，n及A给定后，要使渠道的通过能力Q最大，则必须是水力半径R最大，或湿周χ最小。在面积相同的各种几何图形中，圆形具有最小的周界，故管道的断面形式通常是圆形，对于明渠则为半圆形。但半圆形断面施工困难，在天然土壤中开挖渠道，一般采用梯形断面形式。梯形过流断面如图7-5所示，断面各水力要素之间的关系：A=(b+mh)hB=b+2mh（7-7）边坡系数因为梯形断面的边坡因数m=cotα取决于边坡稳定要求和

7、施工条件，故渠道断面的形状仅由宽深比β=b/h决定。下面讨论边坡因数m一定时梯形断面的水力最优条件。根据（7-7）式梯形断面的湿周可写为：（7-8）因水力最优断面是A、i、n一定时，湿周χ最小的断面，故对式(7-8)求χ=f(h)的极小值。令（7-9）故χmin存在。将A=(b+mh)h代人式(7-9)，可得水力最优梯形断面的宽深比为因（7-10）由式(7-10)可知，水力最优梯形断面的宽深比βh仅是边坡因数m的函数。将上式依次代入A、χ关系式中，可得由（7-10）式（7-11）上式说明水力最优梯形断面的水力半径等于水深的一半，且与边坡因

8、数无关。对于矩形断面，以m=0代入式(7-10)得βh=2即b=2h，说明水力最优矩形断面的底宽为水深的两倍。应当指出，上述水力最优断面的概念仅是从工程流体力学的角度提出的，故“水力最优”不同