流体力学与流体机械课件：7-第七章 明渠均匀流

1、明 渠 均 匀 流概述明渠均匀流形成条件和水力特征明渠均匀流计算公式明渠水力最优断面和允许流速明渠均匀流水力计算无压圆管均匀流复式断面渠道水力计算概 述明渠流-具有自由表面,直接依靠重力作用而 产生的流动(又称无压流).明渠流的特点:具有自由液面,重力对流动起主导作用;底坡的变化对断面的流速、水深有直接影响;水深在流程中会发生变化.不可能产生非恒定的均匀流.渠道分类棱柱形渠道-渠道形状、尺寸沿流程不变的长直渠道;非棱柱形渠道-渠道形状或尺寸沿流程变化的渠道.渠道分类底坡-渠道底面的坡度,以i表示;式中 z渠底的高差； L对应z的相应渠长； 渠底与水平线的夹角， 底坡分为三类: i0,正坡或顺坡

2、(沿流程降低); i=0,平坡(渠底水平); i0,且不变;壁面粗糙系数n沿程不变;棱柱形渠道;恒定流;特征:总水头线与水面线与渠底线相互平行. 即 均匀流的基本公式谢才公式:由于J=I,流量谢才系数粗糙系数n粗糙系数n，它的大小综合反映了河、渠壁面对水流阻力的大小，是明渠水力计算中的主要因素之一。粗糙系数n的选择与渠道表面材料、施工质量以及渠道修成后的运行管理情况等因素有关，粗糙系数n的确定要慎重进行。n值如选得偏大，设计阻力偏大，设计流速就偏小。将增加不必要的渠道断面积而增加渠道造价。而且，由于实际流速大于设计流速，还可能会引起渠道冲刷。反过来，如n选得偏小，则过水能力就达不到设计要求，而

3、且因实际流速小于设计流速，还会造成渠道淤积。水力最优断面 明渠的输水能力取决于底坡i、渠壁的粗糙系数n及过水断面A的大小及形状。通常，i的大小随当地的地形而定，n则取决于所选的渠壁材料。因此，渠道的Q仅取决于A的大小及形状R。而在底坡i、粗糙系数n和过流面积A一定的条件下，能使渠道的输水能力最大的断面形状称为水力最优断面。在i、n、A已给的条件下，要使Q最大，则要求R最大，即湿周最小。所谓水力最优断面，就是湿周最小的断面形状。优点：输水能力最大，渠道护壁材料最省，渠道渗水量损失也最少,能量损失最小。 梯形过水断面的几何要素边坡系数:水面宽:过水断面积:湿周:水力半径: Bhb1m水力最优断面梯

4、形断面的宽深比h：当m=0时，即为矩形断面，宽深比h=2。水力最优断面时，任意形状断面的水力半径为水深的二分之一。允许流速允许流速-对渠身不会产生冲刷，也不会使水中悬浮的泥纱在渠道中发生淤积的断面平均流速。 在设计中，要求渠道的流速在不冲、不淤的允许流速范围内，即 明渠均匀流的水力计算渠道的水力计算，可分成三类问题：1.验算渠道的输水能力已知渠道断面形状及大小、粗糙系数及渠道的底坡，求渠道的输水能力。即已知K、i，求Q。2确定渠道底坡已知渠道断面尺寸、粗糙系数、流量或流速，求渠道的底坡。即已知b、h、m、n、Q或各量，求i。这类的计算主要用于：下水道为避免沉积淤塞，要求有一定的“自清”速度，这

5、就必须要求有一定的坡度。3.确定渠道的断面尺寸已知渠道输水量Q、渠道底坡、粗糙系数n及边坡系数m，求渠道断面尺寸b和h。这是设计新渠道断面的问题，但从基本公式中可知，一个方程要解两个未知数（b和h），则有无数组解，因此要得到唯一的解，就必须附加条件。 补充条件一般分为四种：水深h已定，求相应的底宽b。 计算时，给出不同的b值，即可计算出相对应的K，并根据这些b和K值，作出曲线，再从给定的Q和i，计算出K=Q/i0.5。找出对应于这K值的b值，即为所求。底宽b已定，求相应的水深h。 仿照上述解法，先作出曲线，同样找出对应于K=Q/i0.5的h值，即为所求。按水力最优断面的条件=b/h，设计断面尺

6、寸b和h。 按当地土质条件确定边坡系数m值，在水力最优断面时，计算出=b/h ，这样就建立了附加条件，然后再仿照或中的方法，求出b或h。用最大允许不冲流速作为渠道中的实际流速，求相应的b和h。无压圆管均匀流无压圆管-非满管流的圆形管道。 无压圆管均匀流的特征及基本公式： 与明渠均匀流完全一样。 水力计算（分三类）1.验算输水能力；2.决定管道坡度；3.计算管道直径。定义称为充满度，所对应的圆心角称为充满角。由几何关系可得各水力要素之间的关系为： 设以Q0、C0、R0分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径；C、R表示。则令 不同充满度的相应值用Q、输水性能最优充满度：当h/d=0.95时，Q/Q0=1.087，则此时通过的流量最大，为恰好满管流时流量的1.087倍；当h/d=0.81时，v/v0=1.16，则此时管中的流速最大，为恰好满管流时流速的1.16倍。最大充满度、设计流速：1污水管道应按不满