第六章明渠恒定流..ppt

第6章明渠恒定流,引言,明渠流动是指水流的部分周界与大气接触，具有自由表面的流动。由于自由表面上的相对压强为零，故又称无压流动。,介绍明渠均匀流的产生条件、水力特征、基本方程式及其水力计算问题。,本章主要介绍流体流动的基本方程在无压流中的应用。,明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。,明渠水流分类：,明渠恒定流,明渠非恒定流,明渠均匀流,明渠非均匀流,明渠非均匀流,无,6.1概述,人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流.,明渠流与有压流区别,有压管流：具有封闭的湿周；压力是流动的主要动力。明渠流：具有自由水面（即水面压强为大气压）；重力是流动的主要动力；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；边界突然变化时，影响范围大。,一、明渠横断面,1.天然河道的横断面,呈不规则形状，分主槽和滩地,枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地,断面确定：根据地质条件,2.人工明渠的横断面,据渠道的断面形状分:,梯形、矩形、圆形、抛物线形等,h,b,岩石中开凿或条石砌筑或混凝土渠或木渠矩形排水管道或无压隧道圆形土质地基梯形,一、明渠横断面,渠道底宽b渠中水深h水面宽度B过水断面面积A水力半径R断面宽深比,边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离,m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表,常见渠道断面形式,二、明渠的分类,按断面形状、尺寸是否沿程变化分,三、明渠底坡,底坡i渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡,渠底线与水平线之间的夹角如果用水平距离代替实际距离，用垂直水深代替实际水深,正（顺）坡i0渠底高程沿流程降低,平坡i=0渠底高程沿程不变,负（逆）坡i0,i=0,i1，m10000.8,二、无压圆管的最佳充满度,B、当圆管明渠流的充满度接近1时，均匀流不易稳定，一旦受外界波动干扰，则易形成有压流或无压流的交替流动，且不易恢复无压均匀流流态，而其它敞口的明渠流动在波动干扰后仍可恢复均匀流。,按最大流量设计无压管流，工程上是否合理？,思考,为什么只有在正坡渠道上才能产生明渠均匀流，而平坡和逆坡则没有？,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。,在下列情况的两段渠道上（均形成均匀流），m1=m2,试比较正常水深h01和h02的大小。1)Q1Q2,n1=n2,i1=i2,b1=b22)Q、n、i均相同，但b1b2,h01h02;h01i2,2)i1=i2,n1n2,由谢才公式，当底坡i不等时，流速不等。h01h02,进行复式断面明渠水力计算时,应将深槽与滩地分别计算。解：(),两条明渠的断面形状、尺寸、糙率和通过的流量完全相等，但底坡不同，因此它们的正常水深不等。解：(),由于明渠底坡i可以大于、小于或等于零，而明渠均匀流的水力坡度J=i,所以明渠均匀流的J也可以大于、小于或等于零。解：(),设计明渠时选用的糙率小于实际的糙率，则明渠的设计流量将小于实际通过的流量。解：(),设计明渠时选用的糙率n大于实际的糙率，则设计流量qvd与实际通过的流量qvr的比较是()(1)qvrqvd;3)qvr=qvd;(4)无法确定解：(2),有两条梯形断面渠道1和2，已知其流量、边坡系数、糙率和底宽均相同，但底坡i1i2,则其均匀流水深h1和h2的关系为(1)h1h2(2)h1b2,则其均匀流水深h1和h2的关系为(1)1大于2(2)1小于2(3)相等(4)无法确定解(2),主要掌握明渠非均匀渐变流的基本特性及水力要素沿程的变化规律。掌握急流、缓流、临界流的概念及其判别方法。掌握断面比能曲线。,6.4明渠非均匀流,一、明渠水流的两种流态,一）、明渠恒定非均匀流运动要素随流程而变化。,二）、明渠恒定非均匀流的分类1、明渠恒定非均匀渐变流,2、明渠恒定非均匀急变流,二、缓流和急流,缓流：,水流徐缓，流速较小，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能逆流上传至较远地方。,缓流:水深h较大，流速v较小，多见于平原河网、近海河流。,二、缓流和急流,急流：,水流湍急，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，对上游来流无影响。,急流:水深h较小，流速v较大，多见于山区河流、陡槽。,临界流:介于缓流和急流之间，处于临界状态。,二、缓流和急流,急流：,对河流和渠道有破坏作用，在很多情况下需要用加固来预防破坏,在水利工程中，应尽量使水流处于缓流状态,缓流：,流速较慢，在多数情况下不需要加固,三、流态判别方法,波速（c）法,弗劳德数（Fr）法,断面比能（Es）法,临界水深（hk）法,临界坡度（ik）法,1、波速（c）法水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。,静止水V=0,运动水V,三、流态判别方法,2、弗劳德数法,缓流,急流,临界流,三、流态判别方法,三、流态判别方法,3断面单位能量（cross-sectionalunitenergy）：定义:是指当基准面0-0取在该断面渠底最低高程时，单位重量流体所具有的机械能。,水流的断面单位能量Es与单位重量流体机械能E的区别,基准面的区别: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Es是以各自断面最低点所在的水平面为基准面，沿程基准面不同；沿程变化规律的区别:E只能沿程减少，而Es由于基准面不固定，明渠水流速度和水深也沿程变化，则Es沿水流方向可以增大、不变或减少。,断面单位能量Es曲线,判断：随着水深的增加，断面单位能量必然增加。,Es沿水深的变化规律(断面比能曲线),三、流态判别方法,当,流态为临界流,临界流方程,或,hk为临界水深,三、流态判别方法,缓流,急流,h,Esmin,hk,Es,临界流,5、断面比能法,4、临界水深法,（hhk）,缓流,（hiB,则两渠道的正常水深是否相等？临界水深是否相等？若不相等，哪条渠的大？2）若QA=QB,iA=iB,但nAnB时又怎样？3）若iA=iB,nAnB,但QAQB时又怎样？,1)A的正常水深较浅，临界水深相等。因为临界水深只与断面形状尺寸和流量有关。2）临界水深依然相等，A的正常水深较深。3）临界水深A的较深，A的正常水深较深。,缓变流一定是缓流，急变流一定是急流。解：(),两条明渠的断面形状、尺寸、糙率和通过的流量完全相等，但底坡不同，因此它们的正常水深不等。解：(),临界流一定是均匀流。解：(),缓流和急流既可以是均匀流，也可以是非均匀流。解：(),临界底坡明渠中的水流一定是临界流。解：(),有压管流和明渠水流都可以分为缓流和急流。解：(),陡坡上出现均匀流必为急流，缓坡上出现均匀流必为缓流。解：(),急流和缓流既可以是缓变流也可以是急变流。解：()在缓坡明渠中，不论有无闸坝控制，都能发生急流。解：()在i9.0Strongjump,三、水跃形式：,水跃形式Fr1消能率,波状水跃1.01.704.6%弱水跃1.72.54.617.5%摆动水跃2.54.517.544.5%稳定水跃4.59.044.570%强水跃9.070%,6.3明渠水跃,四、水跃的应用,常用水跃消能.保护河床免受急流冲刷、淘刷,6.3明渠水跃,五、水跃计算（只研究完整水跃）假定：.水跃段长度不大；忽略边壁对水流的摩擦阻力；.跃前、跃后断面为渐变流断面；.跃前、跃后断面的动量修正系数相等，即,6.3明渠水跃,1.棱柱体明渠完整水跃的基本方程（动量方程）设水跃函数则水跃方程可写成式中为水跃共轭水深,上述水跃方程只能在棱柱体明渠底坡不大时使用。,6.3明渠水跃,2.水跃函数曲线,特性、1.水跃函数有一极小值，与极小值对应的水深为临界水深hk;2.当hhk时，J(h)随着跃后水深减小而减小；3.当hhk时，J(h)随着跃前水深减小而增大。,6.3明渠水跃,3.共轭水深的计算,矩形断面,把矩形断面的几何参数代进去,梯形断面常采用试算法,6.3明渠水跃,4.水跃能量损失,对跃前跃后断面写能量方程,把不同断面形状的几何参数代进去，即可得出计算公式,对矩形,水跃的消能率,5.水跃长度计算完全采用经验公式,远驱水跃,临界水跃,淹没水跃,6.4明渠水跌,一、水跌：,缓流到急流时水面急剧降落的局部水力现象。,常发生于下游渠底坡度变陡、或下游渠道断面形状突然改变时。,跌坎,明渠对水流的阻力在跌坎处消失，水流以重力为主，自由跌落。,hk,b,K,跌坎,6.4明渠水跌,缓流状态下，水深减小时，断面比能减小，当跌坎上水面降落时，断面比能曲线从b向K减小。在重力作用下，坎上水面最低点只能降至K点，如继续降低，则为急流状态，断面比能反而增大，所以跌坎上的水深只能是临界水深。,hk,b,K,跌坎,6.4明渠水跌,缓流状态下，如底坡突然变陡，致使下游底坡上的水流为急流，那么临界水深将发生，而且只能发生在底坡突变的断面处。,hk,b,K,Hydraulicdrop,世界上开凿最早线路最长的人工运河京杭大运河,世界上开凿最早、线路最长的人工运河是中国的京杭大运河。京杭大运河简称运河，与万里长城并列为中国古代最伟大的工程。举世闻名的京杭大运河，始建于公元前5世纪，后经隋、元两次大规模扩建，是世界上开凿最早、最长的一条人工河道。京杭大运河全长1794千米，是苏伊士运河的16倍，巴拿马运河的33倍，纵贯南北，是我国重要的一条南北水上干线。它北起北京，南至杭州，经过北京、天津、河北、山东、江苏、浙江六省市，沟通了海河、黄河、淮河、长江、钱塘江五大水系。是我国仅次于长江的第二条“黄金水道”。运河沿线的主要港口有济宁、徐州、邳州、淮阴、淮安、宝应、高邮、扬州、镇江、常州、无锡、苏州、吴江和杭州等。目前，大运河全程虽不能通航，但季节性通航里程已达1100公里，对分担铁路的货流，特别是承担煤炭、建材、盐、日用工业品、粮、油和其他农副产品的中短途运输任务，对发展地区经济，加强南北交流，起到了一定的作用。今天，大运河将作为南水北调的主要路径，古老的大运河必将重新焕发出青春的活力。我们有理由相信，千年古运河定会在中国21世纪的经济发展中起着不可替代的作用。,灵渠,中国沟通长江水系和珠江水系的古运河。又名陡河、兴安运河。在今广西壮族自治区溢安县境内，秦统一六国后，向岭南用兵，秦始皇二十八年（公元前219），派监郡御史禄凿灵渠运粮。它沟通了湘江和漓江，由于历代不断增修改进，技术逐步完善，作用日益增大，是2000余年来岭南（今广东广西）与中原地区的主要交通线路，直至粤汉铁路和湘桂铁路通车。灵渠渠首处用拦河坝壅高湘江水位，将其一股（今称南渠）通过穿越分水岭的人工渠道引入漓江上源支流，并对天然河道进行扩挖和整治后，入漓江；将另一股（今称北渠）另开新渠屈曲于湘江右再入湘江。用拦河大小天平（用条石砌的溢流坝)、铧嘴（导水分水堤）、湘江故道和泄水天平，综合地实现了分水、引水和泄洪等项功能。渠道由人工渠、开挖溪流的半人工渠道和整治后的天然