《眀渠恒定流动》PPT课件.ppt

第7章 眀渠恒定流动,本章的主要内容： 明渠均匀流的水力计算 明渠水流三种流态的特点及判别方法 明渠渐变流水面曲线的定性分析 水跃及水跌 任务：了解明渠均匀流的特性及其产生条件，掌握明渠均 匀流的计算方法；掌握明渠水流流态的判别，了解 水跃和水跌的产生条件。 本章重点：明渠均匀流的水力计算、水流流态的判别。,7-1 明渠的分类,明渠(channel)：是人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明渠。 明渠流(channel flow)：具有自由液面的流动称为明渠流或无压流(free flow)。,明渠流动的特点,1.具有自由液面，为无压流(满管流为有压流)； 2.湿周是过水断面固体壁面与液体接触部分的周长； 3.重力是流体流动的动力，为重力流(管流则是压力)； 4.渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则流速增大 ，水深减小； 5.边界突然变化时，影响范围大。 压力流 无压流,明渠流的分类,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：常用于丰、枯水量悬殊的渠道中,1. 按明渠的断面形状和尺寸是否变化分： 棱柱形渠道(prismatic channel) ：断面形状和尺寸 沿程不变的长直明渠称为棱柱形渠道 非棱柱形渠道(non-prismatic channel) ：断面形状 和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道。,2.按渠道底坡的不同 底坡-渠道底部沿程单位长度的降低值。 平坡：i=0，明渠渠底高程沿程不变者称为平坡。 顺坡： i0，明渠渠底沿程降低者称为正坡或顺坡。 逆坡： i0，明渠渠底沿程增高者称为反坡或逆坡。,问题,1. 明渠流与满管流最大的区别在于前者是( )，而后者是( )。 2. 判断：非棱柱体渠道中，流线也会是平行直线，故水流也可能形成均匀流。 3.判断：水力坡度J一定为正值。,无压流,有压流,(错),(对),7-2 明渠均匀流,一、明渠均匀流的特性及发生条件 定义：等深等速流，流线平行。 特性：1)过水断面的形状和尺寸、断面平均流速、流量和水深沿程不变。通常将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。 2)总水头线、测压管水头线(水面坡度)和渠底坡度彼此相等，即：J=JP=i,列能量方程得：,注： 物理意义：水流因高程降低而引起的势能减少正好等 于克服阻力所损耗的能量，而水流的动能维持不变。,明渠均匀流的形成条件,1)底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道； 2)渠道必须为顺坡(i0)； 3)渠道中没有建筑物的局部干扰； 4)明渠中的水流必须是恒定的，沿程无水流的汇入 汇出，即流量不变。,二、明渠均匀流基本公式,1.明渠均匀流水力计算的基本公式 式中：R水力半径（m），R=A/； 过水断面湿周，（m）； J水力坡度； C谢才系数（m1/2/s）。 K明渠均匀流的流量模数， A明渠均匀流正常水深的过水断面面积。,问题 1. 从作用力的角度分析，在下列渠道中能产生均匀流的是： A.平坡渠道 C.逆坡渠道 D.非棱柱形平坡渠道 2.流量模数K的量纲为： A.无量纲 C.L2/T D.L3/2/T,B.正坡渠道,B.L3/T,(一)水力最优断面 水力最优断面：当渠道底坡、糙率及面积大小一定时通过最大流量的断面形式。 对于明渠均匀流，有 1)具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定 时，水力半径最大，即湿周最小的断面能通过最大流量 2) i，n，A给定时，湿周最小的断面是圆形断面， 即圆和半圆为水力最优断面。,三、水力最优断面和允许流速,1. 梯形过水断面渠道的水力最优断面 对于水力最优断面 有： 水力最优断面的宽深比h值为 结论：1)梯形水力最优断面的m仅是m的函数。 2) 水力最优梯形断面的R为h的一半,与m无关.,A=(b+mh)h,2.矩形断面的水力最优断面 矩形断面，有m=0，则 即矩形渠道水力最优断面的底宽是水深的两倍。 注意： 1）水力最优断面是一种窄深式渠道(当m1时,h 1), 只是水力条件最优,并不一定是工程上的最优。 例如：对于梯形渠道，当m=2时，h=0.472，即b=0.472h，底宽不到水深的一半。 2）一般水力最优断面应用于一些小型的排水渠。,问题,1. 水力最优断面是： A、造价最低的渠道断面； B、壁面粗糙系数最小的断面； C、对一定流量具有最大断面面积的断面； 2. 顺坡明渠的底坡i： B、i0 C、i=0 D、不一定 3. 水力最优矩形断面，宽深比是： A. 0.5 C.1.0 D. 4,D、对一定的面积具有最小湿周的断面。,A、i0,B. 2,1.各断面的长直渠道，具有相同的粗糙系数n，断面积 A，底坡i，其通过流量最大的断面形状为： A、正三角形 B、半正方形 C、半正六边形 2. 有一矩形断面渠道，坡底、糙率和过水断面面积给定的条件下，下列哪个断面尺寸的过流能力最大： A、b=4.5m，h=1.0m B、b=2.25m，h=2.0m D、b=1.0m，h=4.5m,D、半圆形,C、b=3m，h=1.5m,(二)允许流速,V太大则冲刷，太小则淤积或长草，所以V必须限制 在一定范围内。 在设计中，要求渠道流速v在不冲、不淤的允许流速 范围内，即： VmaxVVmin， Vmin=0.4-0.6m/s, Vmax 和Vmin可查有关表格。 式中： Vmax不冲允许流速(m/s)，根据壁面材料而定。 Vmin不淤允许流速(m/s)。,例有一梯形断面中壤土渠道，已知：渠中通过的流量 qv=5m3/s，边坡系数m=1.0，粗糙系数n=0.020，底坡 i=0.0002。试求：(1)按水力最优条件设计断面；(2)若宽 深比=2来设计断面，检查渠中流速是否满足不冲条件。,解： (1)水力最优 A=(b+mh)h=(0.83h+h)h=1.83h2 又水力最优R=h/2 即h=1.98m；b=1.980.83=1.64m,(2) h=1.55m 此时 中壤土渠道不冲流速为0.650.85m/s 所以渠道满足不冲条件。,四、明渠均匀流水力计算的基本问题和方法,(一)验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道 的输水能力。即已知：n,i,m,b,h 确定qv：直接用公式 (二)确定渠道底坡 已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的 几何尺寸，即已知n，qv和b，m，h 各量，确定渠道 底坡i:,(三)确定渠道的断面尺寸 设计渠道,已知qv,I,m,及n,设计断面尺寸,即确定b和h。将有多组解,为得到确定解,需要另外补充条件。 1.水深h已定，求相应的底宽b 2.底宽b已定，求相应的水深h,3.宽深比已定，求相应的b和h 小型渠道，按水力最优设计； 大型土渠，考虑经济条件； 通航渠道，则按特殊要求设计。 4.从不冲允许流速Vmax出发，求相应的b和h,例：有一条大型输水土渠(n=0.025)，梯形断面，边坡系数m为1.5，问在底坡i=0.0003及正常水深h0为2.65m时，其b为多少时才能通过40m3/s的流量。,为什么只有在正坡渠道上才能产生均匀流，而平坡 和逆坡则没有可能？,水流由于粘性在流动过程中产生了阻力，阻力作 负功消耗能量，而在正坡渠道中，因高程降低，重力 势能降低可用来克服阻力所损耗的能量。在平坡和逆 坡中，重力是不做功或做负功的，无法提供阻力所损 耗的能量，所以不可能产生均匀流。,7-3 无压圆管均匀流,圆形无压管：是指管中不满流的管道。 长直的无压管流，当i，n，d均保持沿程不变时，管中 水流可认为是明渠均匀流。 一、无压圆管均匀流的特征及水力要素 1）圆形无压管流的水力坡度J、测压管水力坡度Jp、 底坡i彼此相等， 即J=Jp=i。 2）流速和流量分别在水流为满流之前，达到其最大 值，即其水力最优情况发生在满流前。,特征2）说明： (1)当hd/2，水深的增加引起水 面宽度的减少，过水断面面积增加 缓慢，在接近满管流时，增加最慢。 而近满管流时,湿周却增加得最快。 (2)当水深h增大到一定程度时，过 水断面面积的增长率比相应的湿周的增长率小，相应 的无压圆管的通过流量qv反而会相对减小，即无压圆 管通过的流量qv在满管之前(即hd时)便达到最大值。,无压圆管均匀流各水力要素间的关系如下： 过水面积： 湿 周： 水力半径： 流 量： 流 速： 充 满 度： 水面宽度：,二、计算类型及方法,1.验算输水能力: 已知d、n及i，求圆管所通过的流量qv。直接应用公式。 2.确定底坡i: 已知qv、d、n及，确定圆管底坡i。直接应用公式 3.设计圆管的过水断面尺寸(求管径d)：已知qv、n、 、i，求圆管直径d 。 4. 求水深h：已知qv、d、n及i，确定圆管水深h。,7-4 明渠恒定非均匀流动的若干基本概念,明渠非均匀流：在渠道中修建了水工建筑物，就破 坏了明渠均匀流的条件，造成流速的沿程变化，从而产 生了明渠非均匀流流动。 水力特点：渠道底坡i，水面坡度Jp和水力坡度J不 相等，即： 明渠非均匀流的产生：1、i0； 2、非棱柱形渠道； 3、边界突然变化。,一、断面单位能量 1. 断面单位能量(cross-sectional unit energy)：是指当基准面0-0取在渠底最低高程时，单位重量流体所具有的机械能。,或,水流的断面单位能量e与单位重量流体机械能E的区别 1）断面单位能量e与单位机械能E的基准面选择不 同，两者相差一个渠底位置高度z，即位能；且E沿程 是同一个基准面，而e是通过各自断面最低点为基准 面，沿程基准面不相同。 2）E沿程减少，e沿水流方向可以增大、不变或 减小。,2. 断面单位能量曲线 说明：当明渠断面形状、尺 寸和流量一定时，断面单位 流量e是水深h的连续函数。 断面单位流量曲线的基本特征： (1)当水深很小，即h0，则e，断面单位能量曲线 以横坐标为渐近线。 (2)当水深很大，即h，则eh，断面单位能量曲线 以45线为渐近线。 (3)在e=f(h)的连续区间内，必有一极小值存在。 (4)曲线分上、下两支：上支 ；下支 ，除极值外，相应于任一e有两个水深。,临界水深(critical depth)：是指在断面形式和流量给定 的条件下，相应断面单位能量最小时的水深，则有 (注意： 式中的B为水 面宽度。) 临界水深的计算式(采用试算或图解法求解)：,二、临界水深,三、临界坡度 1. 临界坡度(critical slope)：在棱柱形渠道中，断面形状尺寸、流量一定时，在渠中形成均匀流，若均匀流的正常水深恰好等于该流量的临界水深，则这个渠道的坡度就称为临界坡度。 明渠均匀流有： 临界水深有： 则临界底坡可由下式计算：,说明：临界坡度是对应某一流量和某一给定形状尺寸渠道的特定渠底坡度值，是为了计算或分析的方便而引入的一个假设坡度。 2.底坡的分类 缓坡、陡坡、临界坡 缓坡(iic)：即实际的明渠坡度大于某一流量下的临 界坡度，此时的渠底坡度称为陡坡。 临界坡(i=ic)：即实际的明渠坡度等于某一流量下的 临界坡度，此时的渠底坡度称为临界坡。,四、缓流、急流、临界流及判别 1. 定义 急流：干扰微波只能顺水流朝下游传播，不能朝上传 播，水流只在障碍物处壅起的水流。此时vc。 缓流：干扰微波既能顺水流朝下游传播,又能朝上传播，障碍物前长距离的水流壅起的水流。此时vc。 临界流：干扰微波向上游传播的速度为零，这是急流与缓流状态的分界，称为临界流。此时有v=c。,2. 缓流、急流、临界流的判别准则 缓流： 即： 当Fr1 时，为缓流。 缓流、急流、临界流三种流态的判别式为： (1) (2) (3) (4) (5) 缓流： 急流： 临界流： (1)-(3),(5)适用于均匀流或非均匀流，(4)适用于均匀流,问题,1. 判断：随着水深的增加,断面单位能量必然增加。 2. 矩形断面明渠中，临界流时的流速水头是临界水深的： A、1倍 B、1/3 D、2/3 3. 矩形断面明渠中，临界水深是最小断面比能的： A、1倍 B、1/3 C、1/2 4. 在流量一定，渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙度一定时，随底坡的增大，临界水深将： A、增大 B、减小 D、以上都可能,(错),C、1/2,D、2/3,C、不变,5. 判断：明渠的临界坡度与断面的形状、流量、渠道的粗糙率及渠道的实际底坡有关。 6. 判断：在急坡渠道中可以产生均匀缓流。 7. 判断：在临界坡渠道中，均匀流动的正常水深等于临界水深。 8. 判断：在明渠流中，用底坡的类型就可以判别水流的流态，即在缓坡上水流为缓流，在陡坡上水流为急流，在临界坡上水流为临界流。,(错),(错),(对),(错),例 一梯形断面明渠均匀流,已知宽度b=3m,水深h=0.8m,m=1.5,n=0.03 ,i=0.0005,=0.0101cm2/s ，判断此水流为紊流或层流,急流或缓流？,解：A=(b+mh)h=(3+1.50.8)0.8=3.36m2 所以水流为紊流 又水面宽B=b+2mh=3+ 21.50.8=5.4m 所以水流为缓流。,思 考 题,1. 按最大流量设计无压管流，工程中是否合理？ 2.底坡一定的渠道，是否就能肯定它是陡坡或缓坡？为什么？ 3.如果正坡棱柱形明渠水流的e沿程不变，那么水流是否为均匀流？如果e沿程增加，那么水力坡度和底坡是否相同？ 4.流量、渠道断面形状尺寸一定时，随底坡的增大，正常水深和临界水深分别如何变化？,不合理，会造成有压无压交替的不稳定流。,不能，临界底坡的大小与流量、断面形状、尺寸有关。对一给定渠道，当流量发生变化时，它可以由陡坡变成缓坡，也可以由缓坡变成陡坡。,均匀流；不相同，非均匀流,减小；不变,7-5 水跃和水跌 一、水跃 1. 水跃现象 水流由急流过渡到缓流，会产生一种水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃(hydraulic jump )。,表面旋滚起点过水断面1-1称为跃前断面，该断面处水深称为跃前水深。表面旋滚末端的过水断面2-2称为跃后断面，该断面处的水深称为跃后水深。跃前、后水深之差称为跃高，之间的距离称为跃长。 水跃段内，水流运动要素变化急剧，水流紊动、混掺强烈，旋滚与主流间质量不断交换，致使水跃段内有较大的能量损失。常利用水跃来消能。,二、水跌,水跌是明渠水流从缓流过渡到急流，水面急剧降落的局 部水力现象。常见于渠道底坡由缓坡突然变为陡坡或下 游渠道断面形状突然改变处。 跌坎上水面的降落，应符合总机械能沿程减小，末端断 面最小的规律。所以跌坎处水深为临界水深。 选择：明渠水流由急流过渡到缓流时发生： B.水跌 C.连续过渡 D.都有可能,A.水跃,本章小结,一、明渠