明渠流的相关概述与应用(ppt 72页).ppt

第十章明渠流,100明渠流相关概念,第十章明渠流,101恒定明渠均匀流,102恒定明渠流的流动型态和若干基本概念,103恒定明渠流流态转换时的局部水力现象水跃和跌水,104恒定明渠非均匀渐变流动的基本微分方程,105棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,10-0明渠流相关概念,10-0明渠流相关概念,明渠流（ChannelFlow）或无压流（FreeFlow）：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流动。,1、明渠（Channel）：人工渠道、天然河道以及不满流管道。,2、明渠的分类,(1)按渠道横断面形状和尺寸是否沿程变化,棱柱形渠道（PrismaticChannel）：断面形状和尺寸沿程不变的长直明渠。过流断面面积A仅是水深h的函数，即A=f(h)。,非棱柱形渠道（Non-PrismaticChannel）：断面形状和尺寸沿程不断变化的明渠。过流断面面积A为水深h及流程s两个变量的函数，即A=f(h，s)。,(2)按渠道横断面形状的不同,10-0明渠流相关概念,规则断面渠道：横断面的各水力要素(如过流断面面积A、湿周X、水力半径R、水面宽度B等)在水深h的全部变化范围内，均为水深的连续函数的渠道。,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,不规则断面渠道：横断面的各水力要素，在水深h的全部变化范围内，不为水深h的连续函数的渠道。,(3)按渠道底坡的不同,10-0明渠流相关概念,渠底与渠道纵剖面的交线称为渠底线。渠底线与水平线交角的正弦称为渠底坡度，用i表示，,因渠道底坡很小，可用铅垂断面代替实际的过流断面，用铅垂水深h代替过流断面水深。,正坡或顺坡（DownhillSlope）：i0，明槽槽底沿程降低。,-(10-1),一般情况下时角很小，渠底线长度l在实用上可认为与其水平投影lx长度相等，则,-(10-2),平坡（HorizontalBed）：i=0，明槽槽底高程沿程不变者。,逆坡（AdverseSlope）：iht时，水跃发生在收缩断面之后，跃后水深大于下游水深。,淹没水跃：当hc00),-(10-65),不可能发生均匀流动。因此正常水深失去意义。但临界水深依然存在，并且临界水深与渠道底坡无关。,(2)平坡渠道(i=0),-(10-66),(3)逆坡渠道(i0),(1)缓坡渠道（icri0）,(a)水面曲线位于a区。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,因，所以,说明水深沿程递升，因为位于a区，所以称为a1型壅水曲线。,上游端，因，以N-N线为渐近线。,下游端，因，单位长度上的水深增加等于同一长度上渠底高程的降低，以水平线为渐近线。,缓坡河渠中修建桥、闸、堰坝及其他束窄水流的建筑物后。在上游出现。,(b)水面曲线位于b区。水深沿程递降，为b1型降水曲线。上游端，以N-N线为渐近线；下游端，水面曲线与k-k线正交，将出现跌水现象。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(C)水面曲线位于c区。水深沿程递升，为c1型壅水曲线。上游端，起始于某一已知的控制断面水深(如收缩断面水深);下游端，水面曲线与K-K线正交，将出现水跃与下游水面曲线衔接。,在缓坡渠道末端修建陡槽或跌坎。在缓坡渠道中出现。,坝顶泄流与坝后缓坡渠道连接，或闸下出流与缓坡渠道连接。连接处出现。,(2)陡坡渠道（iicr0）,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(a)水面曲线位于a区。水深沿程递升，为a2型雍水曲线。上游端,水面曲线与K-K线正交，将发生水跃；下游端，以水平线为渐近线。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(b)水面曲线位于b区。水曲面线沿程递降,为b2型降水曲线。上游端，水面曲线与K-K线正交，将发生跌水；下游端,以N-N线为渐近线。,在陡坡渠道末端连接水库、缓坡渠道，或修建堰、闸等建筑物时。在陡坡渠道末端上游处出现。,在缓坡渠道与陡坡渠道连接。下游陡坡渠道中出现。,(c)水面曲线位于c区。水深沿程递升，为c2型壅水曲线。上游端，起始于某一控制断面水深；下游端，以N-N线为渐近线。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,下游坡度大的两个陡坡渠道相连接，在下游陡坡渠道中；或闸下出流进人陡坡渠道处，出现。,(3)临界坡渠道（i=icr0）,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(a)水面曲线位于a区。水深沿程递升，为a3型雍水曲线。上游端,水面曲线以水平线为渐近线；下游端，以水平线为渐近线。水面曲线的曲率不显著，几乎是一条水平线。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(b)水面曲线位于c区。水深沿程递升，为c3型壅水曲线。上游端，起始于某一已知控制断面水深(如收缩断面水深)；下游端，以水平线为渐近线。这种水面曲线实际上可以认为几乎是水平的。,在水库上游的临界坡渠道中，可能出现。在临界坡渠道中修建桥、涵，其上游出现。,在无压力式涵洞底坡,进口收缩断面水深hc小于临界水深时，在涵洞内将出现。,2、平坡渠道（i=0）,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(a)水面曲线位于b区。水深沿程递降，为b0型降水曲线。上游端,以水平线为渐近线；下游端,与K-K线正交，将出现跌水现象。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(b)水面曲线位于c区。水深沿程递升，为c0型壅水曲线。上游端，起始于某一控制断面水深(如收缩断面)；下游端,水面曲线与K-K线正交，将出现水跃现象。,在平坡渠道中修建跌坎。在跌坎上游出现。,平底渠道中的闸下出流，在收缩断面下游出现。,3、逆坡渠道（i0）,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(a)水面曲线位于b区。水深沿程递降，为b型降水曲线。上游端,以水平线为渐近线；下游端,与K-K线正交，将出现跌水现象。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(b)水面曲线位于c区。水深沿程递升，为c型壅水曲线。上游端，起始于某一控制断面水深(如收缩断面水深)；下游端,与K-K线正交，将出现水跃现象。,在逆坡渠道中修建陡坎后，跌坎上游出现。,逆坡渠道中的闸下出流，当闸门开度小于临界水深时，出现。,10-5-3水面曲线的特点与分析方法,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,1、水面曲线的特点,(1)所有a型c型水面曲线都是水深沿程递升的壅水曲线，所有b型水面曲线都是水深沿程递降的降水曲线。,(2)除a3、c3型曲线外，其余的水面曲线都遵循：当水深hh0时，水面曲线以N-N线为渐近线；当水深hhcr时,下水面曲线的连续性发生中断，或与水跌，或与水跃相连接，跌水可认为在跌坎处开始，或在缓坡变到陡坡的过渡断面处发生；当水深h时，水面曲线以水平线为渐近线。,(3)当渠道足够长时，在非均匀流影响不到的地方，水流将形成均匀流，水深为正常水深h0，水面曲线为N-N线。,（4）对于a3、c3型曲线，当hh0=hcr时，水面曲线以水平线为渐近线。,2、进行水面曲线分析步骤,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,(1)根据已知条件，绘出一定底坡情况下的N-N线、K-K线(或只有K-K线)。将流动空间分成1、2、3三区，每个区域只相应一种水面曲线。,(2)找出控制断面位置及其水深。控制断面应选在水深为已知，且位置确定的断面上。,(3)分析水面曲线所处区域，变化趋势及上、下游的极限情况。,(4)参照前述12条水面曲线中某一条对应的水面曲线型式，绘出具体工程中的水面曲线。,10-6恒定明渠非均匀渐变流水面曲线的计算,10-6恒定明渠非均匀渐变流水面曲线的计算,水面曲线的计算问题,(1)已知流量Q和渠道底坡i、粗糙系数n、两断面的形状、尺寸及水深h1、h2，求两断面间的渠道长度L。,(2)已知流量Q和渠道底坡i、粗糙系数n、两断面形状、尺寸，以及两断面间的渠段长度和其中一个断面的水深，求另一断面的水深。,计算水面曲线的方法分段求和法、数值积分法，以及在这些方法基础上的电算法。,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,思考题,1、明渠均匀流的产生条件是什么？有何水力特征？,2、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？,1、圆形无压管道中，为什么其流量在满管流之前即已达到最大值？,2、按最大流量设计无压管流，工程中是否合理？,1、明渠均匀流的流量与哪些物理量有关？,2、水力最优断面有何特点？它是否一定是渠道设计中的最佳断面？为什么？,（不合理，会造成有压无压交替的不稳定流）,1、明渠非均匀流的水力特征是什么？,3、底坡一定的渠道，是否就能肯定它是陡坡或缓坡？为什么？,2、断面单位能量和单位重量水体总机械能有何相同？,4、什么是缓流、急流、临界流？如何判别？,5、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？,10-5棱柱体渠道中恒定非均匀渐变流水面曲线型式的分析,思考题,6、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？,本章小结,本章小结,给定渠道断面的形式及尺寸、渠道的土壤或护面材料、渠底坡度，即已知n和i,1.由已知值求出A、R和C；2.由基本公式求出流量Q。其中：,1.由已知值求出A、R和C；2.算出流量模数;3.由式求得渠道底坡i。,1假定几个b值，算出相应的，并作曲线；2.由已知值算出;3.由曲线找出对应于K值的b值，即为所求的底宽b,1.宽深比确定b与h的关系；2.由、确定b与h的另一关系式；3.联解方程求得b和h。,1.由Vmax得；2.由谢才公式和曼宁公式求得R；3.将