第八章 流体力学明渠流

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1、第八章明渠流《明渠流动》授课学时为6个学时，其中第一节、第二节为2个学时，第三节为2个学时。基本要求：①了解明渠均匀流的特点、产生条件及影响因素。　②能正确使用明渠均匀流的基本公式求解各类水力计算问题。基本概念：⑴正常水深　⑵正（顺）坡　⑶倒（逆）坡　⑷平坡　⑸棱柱体明渠　⑹允许流速　⑺水力最佳断面重点掌握：⒈均匀流的特点及产生条件　⒉利用谢才公式进行明渠均匀流的水力计算。第18次课年月日章题目第八章明渠流动方式课堂模块实际工程典型流动板块方法重点内容学习法单元明渠流动手段多媒体基本要求熟悉各种明渠

2、特点及典型计算，重点均匀流的特点及产生条件难点利用谢才公式进行明渠均匀流的水力计算。内容拓展Flash动画演示参考教材1、张也影.流体力学.北京：高等教育出版社，19992、徐文娟.工程流体力学3、禹华谦.工程流体力学(水利学).成都：西南交通大学出版社，19994、莫乃榕，《工程流体力学》，华中科技大学出版社，20005、程军、赵毅山.流体力学学习方法及解题指导.上海：同济大学出版社，2004作业习题：8—2思考题：8—5、8—6、8—7、详细内容：第一节　概述明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，

3、当液体通过渠槽而流动时，形成与大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为大气压强。所以，这种渠槽中的水流称为明渠水流或无压流。输水渠道、无压隧洞、渡槽、涵洞以及天然河道中的水流都属于明渠水流。当明渠中水流的运动要素不随时间而变时，称为明渠恒定流，否则称为明渠非恒定流。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。设想在产生均匀流动的明渠中取出一单位长度的流段进行分析。设此流段水体重量为G，周界的摩阻力为

4、Ff，流段两端的动水压力各为P1、P2。从力学观点看，明渠均匀流是一种等速直线运动。则作用于流段上所有外力在流动方向的分力必相互平衡，即P1+Gsinθ－P2－Ff＝0式中θ为渠底线与水平线的夹角。因为均匀流中过水断面上的压强按静水压强分布，而且各过水断面的水深及过水断面积相同，故P1=P2。则由上式可得Gsinθ＝Ff上式表明：明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向的分力相平衡。当G·sinθ≠Ff时，明渠中将产生非均匀流。由于明渠均匀流的流线为一簇相互平行的直线，因此，它具有下列特性：1．过

5、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、断面平均流速沿程不变；因而，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。3．总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即J=Jz=i。必须指出，因过水断面应与流线正交，故明渠均匀流的过水断面应为与底坡线相垂直(同时也与水面线相垂直)的平面，所以应在垂直于底坡线的方向量取水深值。但在实际工程中，如水电站的引水渠道，灌溉输水渠道等，底坡一般不大；为方便计，常用铅垂方向的水深h代替真实的水深h’；并用渠段的水平投影长度L代替渠段的实际长度L’。当底坡i≤

6、0.1(θ≤6o左右)时，这样做对水深或长度引起的误差均小于1%。但当渠道坡度很大时，将引起显著的误差。由于明渠均匀流有上述特性，它的形成就需要有一定的条件：1．水流应为恒定流。因为在明渠非恒定流中必然伴随着波浪的产生，流线不可能是平行直线。2．流量应沿程不变，即无支流的汇入或分出。3．渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，粗糙系数沿程不变。4．渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。显然，实际工程中的渠道并不是都能严格满足上述要求的；特别是许多渠道中总有这种或那种建筑物存在，因此，大多数明渠中的水流都

7、是非均匀流。但是，在顺直棱柱体渠道中的恒定流，当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，水流仍近似于均匀流，实际上常按均匀流处理。至于天然河道，因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般均沿程改变，所以不会产生均匀流。但对于较为顺直、整齐的河段，当其余条件比较接近时，也常按均匀流公式作近似解。明渠的断面形状、尺寸、底坡等对水流的流动状态有重要影响。所以为了研究明渠水流运动的规律，必须首先了解明渠的类型及其对水流运动的影响。一、明渠的横断面人工明渠的横断面，通常作成

8、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。当明渠修在土质地基上时，往往作成梯形断面，其两侧的倾斜程度用边坡系数m(m=ctgα)表示，m的大小应根据土的种类或护面情况而定。矩形断面常用于岩石中开凿或两侧用条石砌筑而成的渠道；混凝土渠或木渠也常作成矩形。圆形断面通常用于无压隧洞。根据渠道的横断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水力要素。如工程中应用最广的梯形渠道，其过水断面的诸水力要素关系如下：水面宽度：B=b+2mh或B=