流体力学 第八章

第八章明渠流动重点内容授课内容思考题作业重点内容明渠均匀流水力计算水力最优断面的水力计算明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析思考题1、简述明渠均匀流的特性和形成条件，从能量观点分析明渠均匀流为什么只能发生在正坡长渠道中？2、什么是正常水深？它的大小与哪些因素有关？当其它条件相同时，糙率n、底宽b或底坡i分别发生变化时，试分析正常水深将如何变化？3、什么是水力最优断面？矩形断面渠道水力最优断面的底宽b和水深h是什么关系？4、什么是允许流速？为什么在明渠均匀流水力计算中要进行允许流速的校核？第八章明渠流动第一节概述第二节明渠均匀流第三节明渠流动状态第四节水跃和水跌作业P244-8.12、8.13P245-8.18明渠的底坡8.1概述明渠流动：是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。自由表面相对压强为零，又称为无压流。明渠渠底与纵剖面的交线称为底线，底线的坡度称为底坡（i）。铅垂断面为过水断面，铅垂深度h为过水断面的水深。底坡类型：明渠断面（以梯形最具有代表性）：其几何要素可分为基本量和导出量。基本量：底宽b、水深h、边坡系数m边坡系数m表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性。导出量：水面宽B、过水断面面积A、湿周、水力半径明渠分类：棱柱形渠道：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：断面形状和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道。棱柱形渠道与非棱柱形渠道棱柱形渠道过水断面面积A仅随水深h而变化。明渠均匀流的水力特征（1）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变；（2）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水面线）与渠道底线互相平行；8.2明渠均匀流列（1）-（2）能量方程得：△Z=hfi=JJ=Jp=i明渠均匀流的形成条件（1）明渠流量沿程不变；（2）顺坡（i>0）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；（3）壁面粗糙系数n沿程不变;（4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。明渠均匀流的水力计算（1）基本公式：谢才公式

K的单位同流量，称为流量模数明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛夫公式计算谢才系数。（2）粗糙系数n的选定（3）明渠均匀流水力计算问题

明渠均匀流水力计算问题1、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：确定Q：直接用公式

2、决定渠道坡度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，Q和b，m，h

各量，确定渠道的底坡i

3、决定渠道断面尺寸在设计一条新渠道时，一般已知流量Q、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽b和水深h。这时将有多组解，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

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。(3).宽深比已定，求相应的b和h

(4).从最大允许流速出发，求相应的b和h

两式联立求解b,h当i、n及A大小一定时，使渠道所通过的流量最大的那种断面形状称为水力最优断面.当i、n及A给定时，湿周X最小，水力半径R最大的断面能通过最大的流量。水力最优断面水力最优断面：是指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通过最大流量时的断面形式。

梯形过水断面渠道的水力最优断面对水力最优断面，有这表明X存在最小值。将代入一阶导公式中，得梯形水力最优断面的宽深比β0

值为

当为矩形断面时，，其水力最佳断面宽深比为梯形断面的水力半径结论：1）梯形水力最优断面的宽深比

仅是边坡系数m的函数。

2）在任何边坡系数的情况下，水力最优梯形断面的水力半径R为水深h的一半。由连续方程可知，对于一定的流量，过水断面面积的大小与断面平均流速有关。为通过一定的流量，可采用不同大小的过水断面，此时，渠道中就有不同的流速。如果流速过大，可能引起渠槽冲刷，而流速过小，又可能引起渠槽淤积，降低了渠道的过流能力。因此，在设计渠道时，必须考虑渠道的允许流速。渠道的允许流速是根据渠道所担负的生产任务(如通航、水电站引水或灌溉)，渠槽表面材料的性质，水流含沙量的多少及运行管理上的要求而确定的技术上可靠，经济上合理的流速。为了保证技术上可靠，经济上合理，在确定渠道的允许流速时，应该结合工程的具体条件，考虑以下几方面的因素。（1）流速应不致引起渠槽冲刷，即流速应小于不冲允许流速。（2）流速应不使水流中的悬砂淤积，即流速应大于不淤允许流速。（3）流速不宜太小，以免渠中杂草滋生。为此，一般应大于0.5m/s。（4）对于北方寒冷地区，为防止冬季渠水结冰，流速也不宜太小。一般当渠道流速大于0.6m/s时，结冰就比较困难，即使结冰，过程也比较缓慢。（5）渠道流速应保证技术经济要求和运行管理要求。渠道的允许流速8.3无压圆管均匀流圆形无压管：是指圆管中不满流的管道，如排水管道。无压圆管均匀流：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、无压圆管均匀流的水力特征无压圆管均匀流的水力坡度J、测压管水力坡度就Jp

、底坡i彼此相等，即J=Jp=i。二、过流断面的几何要素基本量：d直径；h水深；α——充满度α=h/dθ——充满角，水深h对应的圆心角导出量A——过流断面面积；χ——湿周；R——水力半径§8.4明渠流动状态一、明渠非均匀流产生原因和特征1、产生原因明渠均匀流（等速流等深流）:只发生在断面形状尺寸、i、n沿程不变的长直渠道中(渠道边界不发生变化）明渠非均匀流（实际情况）:当在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破坏了明渠均匀流发生的条件，造成了流速、水深的沿程变化，从而产生明渠非均匀流流动。水工建筑物：桥、涵管、坝、闸、跌水自然因素：河渠过流断面、河床底坡棱柱形渠道中渐变流水面曲线分析渐变流水面线分析的主要任务：根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。棱柱形渠道渐变流基本微分方程取两过水断面，列能量方程：顺坡渠道（i>0）平坡渠道（i>0）逆坡渠道（i>0）2种水面线8种水面线2种水面线缓坡渠道（i<ik）急坡渠道（i>ik）临界坡渠道（i=ik）2种水面线3种水面线3种水面线在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流量的正常水深时，坝上游将出现a1型壅水曲线。在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将出现b1型降水曲线。在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c1型壅水曲线。在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现a2型壅水曲线。水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成b1型降水曲线，而急坡渠道上上将形成b2型降水曲线，而在变坡处通过临界水深，形成跌水。在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c2型壅水