明渠流动的基本原理及其应用.ppt

明渠流动的基本原理及其应用,绘图题,MF2nn0826000,棱柱体渠道Q一定,n沿程不变,上下两段充分长,定性分析中间i=0渠段长度l2变化时,渠道可能的水面曲线。并标注线型。,题目,当平坡的长度l2很短时，由于水跃末端的水深要达到H2故根据共轭水深关系式，则跃前水深要大于水深H1，即产生水跃形式 如图所示：,L2很短时,解法一,H2,当平坡的长度l2适中时，由于水跃末端的水深要经过一段距离的回落达到水深H2故根据共轭水深关系式，则水跃要在水深H1处开始产生，产生水跃形式如图所示：,L2适中时,解法二,当平坡的长度l2很长时，因缓流随着水深的增加断面比能增大。随着跃后水深的增大，在实际断面比能增大，压迫水跃在陡坡渠道上产生，经过水跃后形成S1接平坡上H2型水跃，水跃形式如图所示：,L2很长时,解法三,绘图题,MF2nn0826001, 棱柱体渠道充分长，上游渠道i1ik，上下两渠道在A-A断面相连接，当渠道通过的流量Q一定，粗糙系数n沿程不变时试定性绘制水面曲线，标注线型，并给出变坡处A-A端面的水深值。,题目,h01-上游渠道均匀流水深 h02-下游渠道均匀流水深 hk-临界水深,解法一,绘图题,MF2nn0826002,在缓坡棱柱体渠道中修建水闸，上游渠道充分长，下游在闸后接跌坂当流量Q一定,闸门开度e小于临界水深hk时随着闸门距跌坂之间距离L的变化，分析可能出现的水面曲线，并标注线型。,题目,在缓坡渠道第一区内，正常水深大于临界水深水深沿程增加，形成上端以N-N线为渐进线的壅水曲线M1，遇闸门水深降低，在第三区内形成上端水深最小的壅水曲线M3与水面相连。,L很短时,解法一,在缓坡渠道第一区内，正常水深大于临界水深水深沿程增加，形成上端以N-N线为渐进线的壅水曲线M1，遇闸门水深降低随L的增加，在第三区内形成上端水深最小的壅水曲线M3，形成水跃在二区形成M2型降水曲线，三区形成水跃与水面相接。,L较长时,解法二,在缓坡渠道第一区内，正常水深大于临界水深水深沿程增加，形成上端以N-N线为渐进线的壅水曲线M1，遇闸门水深降低随L的增加，在第三区内形成上端水深最小的壅水曲线M3，形成水跃在二区形成M2型降水曲线，与水面相接。,L很长时,解法三,绘图题,MF2nn0826003,如图所示有三棱柱体渠道相接，各段均充分长，当流量Q一定，糙率n沿程不变时，试绘制水面曲线，并标注线型。（ik为临界底坡）,题目,在陡坡渠道中，临界水深大于正常水深，随着i的变化，渠道底坡由陡变缓，水深增加形成壅水曲线C3与临界水深相连，当i继续减小形成壅水曲线C3，与水面相连。,解法一,绘图题,MF2nn0826004,如图所示两段棱柱体渠道相连接，各段均充分长，当流量Q一定，糙率n沿程不变时，试分析随着i2的变化渠道水面曲线连接，并标注线型。,题目,当0i2ik时,在陡坡渠道中，临界水深大于正常水深，随着i的变化，渠道底坡由陡变缓，i2ik此时产生水跃，由于正常水深大于临界水深，跃后水深大于临界水深。,解法一,在陡坡渠道中，临界水深大于正常水深，随着i的变化，渠道底坡由陡变缓,i2=ik时形成M3型的壅水曲线，大于临界水深与水面相连。,当i2趋于ik时,解法二,在陡坡渠道中，临界水深大于正常水深，随着i的变化，渠道底坡由陡变缓，i2=0时缓流随着水深的增加断面比能增大。实际断面比能增大，压迫水跃在陡坡渠道上产生，经过水跃后形成S1接平坡上H2型降水曲线。,当i2趋于0时,解法三,绘图题,MF2nn0826005,在长直棱柱缓坡渠道的A-A断面处糙率n发生变化，上渠段糙率为n1，下渠段糙率为n2,流量Q一定时，试分析n1n2和n1n2两种情况下，绘出渠中可能的水面曲线连接，并标注线型。,题目,在缓坡渠道中，正常水深大于临界水深，当n1n2时上游的正常水深大于下游的正常水深在第二区形成M2型降水曲线，与水面相连。,当n1n2时,解法一,在缓坡渠道中，正常水深大于临界水深，当n1n2时上游的正常水深小于下游的正常水深在第一区形成M1型壅水曲线，与水面相连。,当n1 n2时,解法二,绘图题,MF2nn0826006,如图所示，有两段陡坡渠道在A-A断面相接，上下游渠道均充分长，当流量一定，糙率n沿程不变时，试分析渠中可能出现的水面曲线，并表注线型。,题目,在陡坡渠道中，正常水深小于临界水深，当i1i2时上游的正常水深大于下游的正常水深在第二区形成S2型降水曲线，与水面相连。,当i1i2时,解法一,在陡坡渠道中，正常水深小于临界水深，当i1i2时上游的正常水深小于下游的正常水深在第三区形成S3型降水曲线，与水面相连。,当i1i2时,解法二,绘图题,MF2nn0826007,某水库接长直棱柱陡坡渠道，在渠道中有闸门控制，当渠道中流量Q一定，糙率n沿程不变时，试分析当闸门开度e变化时，渠中可能出现的水面曲线连接，并注明线型。,题目,当eh0时,在陡坡渠道中正常水深小于临界水深，当eh0时在第二区内形成S2型的降水曲线，缓流随着水深的增加断面比能增大。实际断面比能增大，压迫水跃在陡坡渠道上产生，经过水跃后形成S1遇闸门水深降低，在第三区内形成上端水深最小的壅水曲线S3与水面相连。,解法一,当eh0时,在陡坡渠道中正常水深小于临界水深，当eh0时在第二区内形成S2型的降水曲线与水面相连接。,解法二,绘图题,MF2nn0826008,在棱柱体平底渠道上修建闸门，当流量Q一定，闸门开度e一定，随着下游水深ht的增大，闸后水跃的形式。,题目,当hthc/时形成远驱式水跃,在平底渠道上闸门的开度e一定时随着下游水深的不同，产生的水跃形式也不同，当hthc/时形成远驱式水跃如图所示。,解法一,当ht=hc/时形成临界式水跃,在平底渠道上闸门的开度e一定时随着下游水深的不同，产生的水跃形式也不同，当ht=hc/时形成临界式水跃如图所示。,解法二,当hthc/时形成淹没式水跃,在平底渠道上闸门的开度e一定时随着下游水深的不同，产生的水跃形式也不同，当hthc/时形成淹没式水跃如图所示。,解法三,绘图题,MF2nn0824009,在棱柱体明渠中，当流量Q一定时断面形状尺寸一定时，ES仅为水深h的函数，当流量增大时，试分析断面比能的变化。,题目,当Q=Q1时断面比能最小值为ES1，当Q=Q2时断面比能最小值为ES2，当Q=Q3时断面比能最小值为ES3，因为Q1Q2Q3,随着Q的增大断面比能的极小值减小，临界水深减小，但变化趋势相同，如图所示。,解法一,在陡坡渠道中，正常水深小于临界水深，当i1i2时上游的正常水深小于下游的正常水深在第三区形成S3型降水曲线，与水面相连。,当i1i2时,解法二,计算题,MF2nn0813010,题目,校核渠道的过水能力 某梯型断面混凝土渠道按均匀流设计， 已知底宽b=2.4m ， 水深h0=1.2m， 边坡系数 m=1.5， 糙率n=0.014 ，500米长渠道上的水头损失h=0.25m。 问该渠道能通过多少流量Q？,解题方法一,均匀流基本公式,其中，,过水断面面积,湿周,水力半径,解题方法一,谢齐系数,底坡i等于水力坡度J,流量,解题方法二,谢齐公式,水力半径,谢齐系数,水力坡度,过水断面面积,均匀流流量,解题方法二,断面平均速度,计算题,MF2nn0821011,题目,矩形断面混凝土明渠。已知底宽b=8m，均匀流水深h0=3m，底坡i=0.001，糙率n=0.014，流量Q=30m3/s。 试从不同角度判别水流的流态。,用临界水深hk判别,单宽流量,临界水深,解题方法一,因为实际水深h=3m，hhk，所以明渠水流为缓流,用佛劳德数Fr判别,断面平均速度,佛劳德数,因为 Fr=0.2311.0,所以明渠水流为缓流,解题方法二,用相对波速 判别,相对波速,断面平均速度,因为,所以明渠水流为缓流,解题方法三,用临界流速 判别,临界流速,断面平均流速,因为,所以明渠水流为缓流,解题方法四,用临界底坡 ik 判别,解题方法五,临界底坡计算公式,其中,因 ，故渠道为缓坡，水流作均匀流时为缓流,解题方法五,计算题,MF2nn0824012,题目,某矩形断面渠道，底宽b=2m,断面比能ES=1m，试求该断面通过的最大流量Qm,对h取一阶导数,流量最大时,，故,解题方法一,当断面比能ES一定时，流量Q与水深h的关系为,断面比能,因为,，所以上式可整理为,代入后，得,由,解题方法一,解题方法一,计算题,MF2nn0813013,题目,在粘质砂土地段上修建梯形断面渠道，按均匀流设计，粘质砂土允许不冲流速 。已知渠道设计流量Q=3.5m3/s，渠道底坡i=0.005，边坡系数m=1.5，糙率n=0.025，试问，按水力最佳断面设计的断面尺寸是否需要加固。,解题方法一,解题方法一,解题方法一,计算题,MF2nn0813014,题目,为了测定某梯形断面渠道糙率n值，选取L=1500m长的均匀流段进行测量。已知底宽b=10m，水深h0=3.0m，边坡系数m=1.5，上下游两个断面的水面落差 ，流量Q=50m3/s。 试确定n值。,解题方法一,解题方法一,计算题,MF2nn0813015,题目,一梯形断面土渠，通过的流量Q=0.75m3/s，底坡 ，砂质粘土，边坡系数m=1.5，糙率n=0.025。 试从不同角度设计断面尺寸。,解题方法一,解题方法一,解题方法二,解题方法二,解题方法二,解题方法三,解题方法三,计算题,MF2nn0824016,某矩形断面渠道，底宽b=2m，通过流量Q=2m3/s ,求最小断面比能ESmin,题目,解题方法一,解题方法一,MF2nn0831017,计算题,有一条宽矩形断面棱柱体缓坡渠道，底宽b=8m，底坡i=0.0009，糙率n=0.013。当通过流量40m3/s时，若发生水跌，试计算共轭水深。,题目,解题方法一,解题方法一,解题方法一,所以，跃前水深 ，跃后水深 。,MF2nn0831018,计算题,题目,解题方法一,解题方法一,解题方法一,解题方法一,MF2nn0826019,计算题,题目,解题方法一,解题方法一,解题方法一,解题方法一,解题方法一,水面曲线计算结果如下图所示,解题方法一,MF2nn0824019,简答题,题目,何谓断面比能？ 断面比能与断面总能量有何区别？,解答及讨论,解答及讨论,解答及讨论,MF2nn0812020,简答题,1、明渠均匀流有何特征？ 2、明渠均匀流形成条件是什么？,题目,解答及讨论,1、明渠均匀流特征：,a. 过水断面的形状、尺寸、和水深沿程不变，因而过水断面的面积不变。,b.过水断面上的流速分布和断面平均流速沿程不变，因而水流的动能修正系数和流速水头也沿程不变。,c.总水头线、水面线、和渠底线互相平行，也就是水力坡度J、面坡度Jz、渠底坡度i、三者相等。,解答及讨论,2、形成条件：,a.明渠水流为恒定流 b.流量沿程保持不变，没有水流的汇入和分出 c.明渠在足够长范围内是顺直棱柱体 d.明渠底坡为正坡并且足够长距离保持底坡大小不变 e.明渠粗糙系数沿程不变 f.明渠段没有闸、坝、桥、涵、陡坡、跌水等建筑物 对水流的局部干扰；距进出口有一定距离，进出口对水流的影响已可忽略,MF2nn0821021,简答题,1、缓流和急流各有何特点？ 2、如何判别缓流和急流？,题目,急流和缓流是明渠水流的两种独特的水流流态，明渠水流是急流还是缓流取决于干扰波是否往上游传播。,当水流在流动的过程中，遇到建筑物的干扰时产生水面波动即干扰波只能向下游传播。,缓流的特点：,急流的特点：,当水流在流动的过程中，遇到建筑物的干扰时产生水面波动即干扰波能向上游传播。,1、缓流和急流的特点,解答及讨论,解答及讨论,解答及讨论,MF2nn0821022,简答题,题目,临界水深hk与正常水深有何不同？,解答及讨论,分析题,MF2nn0823023,在缓坡渠道（iik）上的1区，水面曲线是下凹的壅水曲线,题目,讨论,棱柱体渠道水深沿程变化的基本微分方程为,在该区内非均匀