《明渠均匀流》PPT课件.ppt

单元四明渠均匀流 浙江建设职业技术学院暖通教研室张玲 教学基本要求1 了解明渠水流的分类和特征 了解棱柱体渠道的概念 掌握明槽底坡的概念 2 了解明渠均匀流的特点和形成条件 熟练掌握明渠均匀流公式 并能应用它来进行明渠均匀流水力计算 3 理解水力最佳断面和允许流速的概念 掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法 学会正确选择明渠的糙率n值 4 掌握无压圆管均匀流的水力特性 熟练运用图表法和解析法进行无压圆管均匀流的水力计算 学习重点和难点1 明渠均匀流水力计算 2 运用解析法和图表法进行无压圆管流的水力计算 这部分也是本章的难点 第一节明渠均匀流概述 明渠水流是一种极为常见的水流现象 如天然河道 人工渠道 排水管道中的水流均属明渠水流 明渠水流最主要的特点是具有敞开的液面 液面上各点的相对压强为零 因此 明渠水流也称为无压流 另外明渠水流是在重力作用下运动的 因此也称其为重力流 一 明渠水流的分类1 棱柱形形渠道和非棱柱形渠道 图7 1渠道断面形状 断面形状 尺寸及底坡沿程不变 同时又无弯曲渠道 称为棱柱体渠道 常见的人工明渠横断面有梯形 矩形和圆形 边坡系数m 反映渠道两侧倾斜程度水力半径 A 断面面积 湿周 天然河道的横断面常呈不规则形状 常见的过水断面的水力要素 明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡 以符号i表示 等于渠底线与水平线夹角的正弦 只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流 2 明渠的底坡 顺坡 i 0 明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡 平坡 i 0 明槽槽底高程沿程不变者称为平坡 逆坡 i 0 明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡 二 明渠均匀流的基本特征及发生条件过水断面的水深 断面平均流速及其分布都沿程不变的明渠水流称为明渠均匀流 1 明渠均匀流基本特征1 均匀流过水断面的形状 尺寸沿流程不变 2 过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变 3 总水头线坡度 水面坡度 渠底坡度三者相等 即水流的总水头线 水面线和渠底线三条线平行 2 明渠均匀流的发生条件1 水流必须是恒定流 以保证沿程水深 流速不发生变化 2 渠道必须是长直棱柱形渠道 否则在断面发生变化处就会产生非均匀流 3 底坡必须沿程不变 且为正坡 因为只有在正坡渠道中 重力在流动方向上的分力才能与阻力平衡且沿程不变 而平坡与逆坡渠道中是不可能产生均匀流的 4 渠道表面粗糙系数n必须沿程不变 因为n值的变化将引起阻力的变化 从而引起非均匀流 三 明渠均匀流的计算公式 明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式 由于在明渠均匀流中 Q 流量 m3 s v 断面平均流速 m s i 明渠的底坡 R 水力半径 m C 谢才系数 K 明渠的流量模数 m3 s 它综合反映明渠断面形状 尺寸和粗糙程度对过水能力的影响 表7 1各种人工管渠的n值 第二节明渠均匀流的水力计算问题 一 水力最佳断面当渠道的底坡 粗糙系数n及过水断面积一定时 通过流量最大 或当底坡 粗糙系数及流量一定时 所需的过水断面积最小时的断面 水力最优断面就是湿周最小的断面形状 它的优点是 流动阻力最小 过流能力最大 管渠的护壁材料最省 管渠的渗水损失量也最小 不淤允许最小流速 不冲允许最大流速 二 允许流速 允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制 包括不冲流速 不淤流速和其它运行管理要求的流速限制 在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核 表7 2明渠最大设计流速 三 明渠均匀流的水力计算问题 1 确定管渠的输水能力已知管渠的断面形状 尺寸 粗糙系数及底坡 求该渠道的输水能力 即已知K i 求Q2 确定渠道底坡已知渠道的断面尺寸 粗糙系数 流量或流速 求渠道的底坡 即已知K Q 求管渠底坡i 3 定管渠的断面尺寸已知管渠的输水能力Q 渠道的底坡 粗糙系数n 以及采用的断面形状 梯形 矩形 圆形等 要求确定断面的尺寸 这是新管渠的断面设计问题 第三节无压圆管均匀流的水力计算 无压圆管均匀流是明渠均匀流的一种 所谓无压圆管是指不满流的圆管 城市排水中的污水与雨水管道均属于无压圆管均匀流 第三节无压圆管均匀流的水力计算 一 无压圆管均匀流的水力特性1 无压圆管均匀流的水力要素充满度 过水断面A 水力半径R 图7 4无压圆管过水断面 表7 3不同充满度时无压圆管形管道的水力要素 2 无压圆管流的无因次流量与流速 图7 5和曲线 称为无压圆管均匀流的无因次流速 为无因次流量 式中不代下标和代有下标 0 的各量分别表示圆管内不满流 1 和恰好满流 1 时所对应的各流动参量 当 0 95时 此时通过的流量最大 为恰好满流时流量的1 087倍 当 0 81时 此时管中的流速达到最大 为恰好满流时的1 16倍 最大流量 最大流速 原因 随着充满度 的增大 圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同 水力半径R在 0 81时达到最大值 根据谢才公式可以知道其流速也达到最大值 其后 虽然水力半径R有所减小 但是过水断面面积A继续增大 所以流量继续增大 当 达到0 95之后 湿周 阻力 增加的速率超过了A的增加速率 从而使流量有所降低 二 无压圆管均匀流的水力计算 1 计算类型校核已建成管道的过水能力 已知d n i 求Q 设计管道坡度 已知Q d n 求i 设计管径 已知Q n i 求d 2 相关规定 3 无压圆管均匀流的水力计算方法 1 解析法 即由明渠均匀流基本公式直接求解 2 图表法 为方便计算 在实际工程中常依据明渠均匀流基本公式中和的函数关系制成计算图或计算表 列入相关专业的水力计算手册中 以备查用 图7 6非满流钢筋混凝土圆管计算图 第八章绕流运动概述 第一节附面层的概念一 附面层现象 空气流过机翼形成的附面层现象 二 附面层的基本特征 图8 2平板上的混合附面层 三 附面层的分离 图8 3粘性流体流过曲面物体 加速降压区 减速升压区 不会发生边界层分离的区域 可能发生边界层分离的区域 四 曲面边界层的分离现象 卡门涡街 绕过圆柱体的流动 卡门涡街 脱落频率 斯特劳哈尔数 第二节绕流阻力与升力 一 绕流阻力 与物体运动的方向相反 起着阻碍物体运动作用的作用力 称为阻力 1 摩擦阻力 流体绕过物体流动所引起的切向应力造成的阻力 2 压差阻力 流体绕过物体流动所引起的压强差造成的阻力 由粘性间接作用的结果 与物体的形状有很大关系 第二节绕流阻力与升力 二 绕流升力当流体绕流的物体为非对称形 或来流方向与物体的对称轴不平行时 如图所示 都会形成物体上部流速大于下部流速的流动 使物体的上下表面受到不同的压强作用 从而在垂直于来流速度的方向上产生向上的作用力 这就是绕流升力 三 悬浮速度在工程中 通常要碰到煤