《明渠恒定均匀流》PPT课件.ppt

明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,过水断面形状、尺寸、水深沿程不变,过水断面形状、尺寸、水深沿程不变,断面流速分布 断面平均流速 流量 动能修正系数等 沿程不变,过水断面形状、尺寸、水深沿程不变,断面流速分布 断面平均流速 流量 动能修正系数等 沿程不变,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,底坡、水面坡度、总水头线互相平行,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,充分必要条件 力学条件 渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的 分力始终平衡（大小相等，方向相反） 能量条件 水面下降值始终等于水头损失,由水流向动量方程: 由均匀流条件 ： P1P2 ；v1 v2,实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流 是非均匀流。 严格说，不存在明渠均匀流，均匀流 是对明渠流动的一种概化。,近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。 离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直 棱柱体明渠恒定流 天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算方法 3.2 计算类型,由谢才公式 基于明渠水流资料获得的经验公式,1769年,谢才（A.Chezy）,总结了一系列渠道水流实测 资料的基础上, 提出明渠均匀流 流速与流量的经验公式谢才公 式，以后又有确定谢才系数的满 宁公式（R.Manning）、 巴普洛 甫斯基公式。,对于明渠均匀流 ，A 为过水面积，则,式中， 为流量模数,K综合反映断面形状、尺寸、 水深、糙率对过水能力的影响。 物理意义：水力坡度为1时的流 量（当 i =1 时，Q = K）。 单位：（m3/s）,谢才系数C 反映断面形状、尺寸和边壁粗糙 程度的一个综合系数。常用曼宁 公式计算,R：水力半径，以米（m）计 n： 糙率,某渠设计时选 n = 0.015，竣工后实测0.016。设计水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大，可能造成水漫渠顶事故。,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,由均匀流公式,有6个变量（含Q）,边坡系数 m和糙率 n 一般根据土质、或衬砌材料用经验法确定,水力计算任务 给定Q、b、h、i 中三个，求解另一个,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,计算类型,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,已知断面形状、b、h、m、底坡 i、糙率n 校核流量 Q,一电站已建引水渠为梯形断面， m =1.5， 底宽b=35m，n = 0.03，i =1/6500，渠底到堤顶高程差为3.2m，电站引水流量 Q = 67m3/s。因工业发展需要，要求渠道供给工业用水。试计算超高0.5m条件下，除电站引用流量外, 还能供给工业用水若干？,渠中水深,过水断面,湿 周,水力半径,谢才系数,流 量,保证电站引用流量下， 渠道还可提供用水量： 77.467.0 =10.4 m3/s,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,已知 Q、i、n，b、m，求 h ？,Q、b、m、n及i已知，h为待求量 上式含h的高次隐函数，不可直接求解,迭代计算,假定h,结束,y,n,渠堤高度：h+超高 = 3.3+0.5 = 3.8m,解,一梯形断面，m = 1.0，浆砌石砌护n =0.025，i =1/800 b = 6.0m，设计流量70m3/s，确定堤顶高度（超高0.5m）,试算图解（计算器、Excel、Matlab等）,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,已知渠道设计流量Q、i、n，h、m，求 b？ 方法与求h0相同，采用迭代法、试算图解法,例 一矩形断面渡槽，为预制钢筋混凝土 n = 0.013，设计流量 Q = 31m3/s，i =1/1000， h = 3.5m，计算 b？,解：用迭代法计算,将Q = 31m3/s，i = 1/1000，h=3.5m，n = 0.013代入得,简 化,b =3.35m,图解试算法计算,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,例 一矩形断面渡槽，b = 2.0m，槽长l =120.m 进口处槽底高程 z1= 50.0m，槽身为预制混凝土 n = 0.013，设计流量 Q =10.0m3/s，槽中水深为 h =1.8m。试求： （1）求渡槽出口底部高程 z ？ （2）当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深 随底坡的变化规律,解,当渡槽通过设计流量时，槽内均匀流水深随底坡 的变化规律，即求 h i 的关系曲线 （流量一定）,正常水深h与底坡i 的关系是：i 增大，h0减小,原 因,i 越大，底坡越陡，重力分力越大，流速愈大,极限值,i 0 , h ,平坡不可能出现均匀流,3 明渠均匀流的水力计算,3.1 基本公式 3.2 计算任务 3.2 计算类型,已知 Q、v、i、n，m，设计渠道断面尺寸,问题 分析,例 一梯形渠道，流量 Q =19.6m3/s，流速v =1.45m/s， m =1.0，糙率n = 0.02， i = 0.0007，试求渠道断面b 及h ？,明渠恒定均匀流,1 明渠均匀流特性,3 明渠均匀流的水力计算,2 明渠均匀流的产生条件,4 明渠均匀流的其他问题,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,Q = f ( i, n, 断面形状和尺寸) 底坡 i： 根据地形条件、技术条件考虑选定 糙率n：取决于渠壁材料 因此，在i，n 已定条件下，从水力条件出 发，渠道最经济断面 ？,从水力条件出发，渠道最经济断面 ？ 什么是渠道水力最佳断面？什么轮廓形状？,均匀流算公式,When i, n, A = Given min R Rmax Q Qmax,水力最佳断面条件,明渠最佳断面形状：半圆形 原因：由几何学知识，面积相同图形中， 周界最小的断面为圆形。 预制钢筋混凝土 钢丝网水泥渡槽 但土渠难挖成半圆形，且两岸边坡不稳定,从地质和施工条件考虑，工程中接近圆形断面形状的土渠为梯形断面,梯形明渠水力最佳断面条件,m ：梯形最佳断面的宽深比,综合考虑水力最佳断面不太合理,综合考虑水力最佳断面不太合理 ？,一般土渠边坡 m 1， m 1，是深窄形断面，需深挖高填，施工不便、维护管理困难；又水深变化大，给通航和灌溉带来不便，经济上反而不利,综合考虑水力最佳断面不太合理 ？,因此，限制了水力最佳断面在实际中应用,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,允许流速 保证渠道正常运行的水流允许流速 的上限和下限值,不冲流速 v 渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水利设计手册。,不淤流速v 渠道中水流悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件，挟沙特性与水中含沙量大小，可根据经验公式确定。,渠道中流速,渠道中杂草滋生的临界流速一般约 0.5m/s,渠水冬季结冰的临界流速（北方地区）约 0.6m/s,电站引水渠、航运渠道中的流速还应满足技术经济 要求及管理要求，参照有关规范选定,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,断面周界糙率不同的明渠均匀流,复式断面明渠均匀流,一些渠道，断面周界各段糙率不同。 例如，边坡为混凝土护面，底部为浆砌 卵石的渠道。,边坡一侧由山石开凿而成，另侧由浆砌石筑成,4.1 水力最佳断面,4.2 允许流速,4.3 复式断面明渠水力计算,4 明渠均匀流的其他问题,断面周界糙率不同的明渠均匀流,复式断面明渠均匀流,当渠道流量变化大时，断面形状采用复