非均匀流1课件

水力学第七章明渠恒定非均匀流

产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生非均匀流动。

明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此不平行，。水深沿程变化。V1V2h1h2水面线总水头线

主要研究的任务：就是分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等。

为了区别，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。非均匀流的水深以h表示。明渠非均匀流的一些基本概念一、明渠水流中的三种流态

当时，水流为缓流；当时，水流为临界流；当时，水流为急流。

二、明渠水流流态判别：明渠水流中微波的相对波速当时，水流为缓流；当时，水流为临界流；当时，水流为急流。

流态判别数——弗汝德数

定义弗汝德数：临界流时，，所以三、断面比能（断面单位能量）OOhz0zθooO′O′z0断面上单位重量液体所具有的总能量：定义断面比能：将各断面的基准面选择在过水断面的最低点的位置，此时所具有的总机械能称为断面比能Es。则：E与Es的区别

1）E在整个流程上为同一基准面所以E沿程总是减小

Es不同断面的基准面不同，即沿程可升可降，或不变2）E的基准面任意选取,Es的基准面为断面的最低点

3）两者相差一个位置高度Z0

表达式为：当流量一定，过水断面的形状和尺寸又不变时：四、临界水深断面比能最小值时所对应的水深，称为临界水深

临界水深的大小仅取决于流量和过水断面的形状、大小，而与明渠的底坡，糙率无关。利用临界水深判别流态：当时，水流为缓流；当时，水流为临界流；当时，水流为急流。

五、陡坡、缓坡、临界坡当均匀流水深正好等于临界水深时，相应的底坡称为临界底坡。

影响临界水深hk的因素：流量、断面形状及尺寸影响正常水深h0的因素：流量、断面形状及尺寸、糙率、底坡时，缓坡；均匀流缓流临界流均匀流时，临界坡；急流均匀流时，陡坡；水流应满足明渠均匀流和临界流的关系：临界底坡的计算公式：

例7-3明渠非均匀急变流现象——水跌与水跃现象

当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象，称为水跌现象。

当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃现象。平坡i=0跌坎急流缓流临界水深hkKK缓流急流水跌简介

水流由缓流过渡到急流称为水跌。由于急变流的水面变化规律与渐变流不同，水流流线很弯曲，实际上跌坎断面的水深hD约为0.7hK，而水深等于hK的断面约在跌坎断面上游(3～4)hK处。控制断面棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析

i>0时几点说明：1.可能出现的情况及其水面曲线的形状特征若，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线若，则水深沿流程减小，水面为降水曲线若，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面若，则水面趋向于水平面若，则水面与流向趋于重直明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式——水深h（或水位z）沿流程的变化情况明渠渐变流水面曲线分析几个概念①N-N线：以正常水深h0绘出的均匀流水面线。②K-K线：以临界水深hk绘出的水面线。③明渠底坡分类：正坡(i>0)能发生均匀流

平坡(i=0)不能发生均匀流负坡(i<0)不能发生均匀流2.影响水深沿程变化的因素i>0时底坡ii>0，i<iki>0，i=iki>0，i>iki=0i<0流态Fr，用hk直观反映KKKKKKKKKKi>0时，比较h与h0NNNN（N）（N）3.明渠流的分区

:

均匀流的正常水深线N-N线，距渠底hk的临界水深线K-K线，可把渠道划分成三个不同的区域，如图：a区：h>ho

且h>hk

b区：h0>h>hk

或h0<h<hk

c区：h<h0

且

h<hki>0，i<iki>0，i=iki>0，i>iki=0i<0KKKKKKKKKKNNNN（N）（N）a1a3a2b1b2b0b′c1c2c3c0c′缓坡a区的水面线分析i>0，i<ikKKNNa1b1c1该区实际水流的水深壅水曲线向上游以N-N线为渐近线向下游以水平线为渐近线NNi<ika1缓坡b区的水面线分析i>0，i<ikKKNNa1b1c1该区实际水流的水深降水曲线向上游以N-N线为渐近线向下游与K-K线有成垂直的趋势i<ikKKNNb1缓坡C区的水面线分析i>0，i<ikKKNNa1b1c1该区实际水流的水深壅水曲线向下游与K-K线有成垂直的趋势向上游水深受来流条件所控制。i<ikKKNNc1KKNNc1i<iki<ikKKNNa1b1c1i>ikKKNNa2b2c2i=ikKKa3c3i=0KKb0c0i<0KKb′c′各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：a、c区为壅水曲线；b区为降水曲线当h→h0时，以N-N线为渐近线；当h→hk时，与K-K线有成垂直的趋势；当h→∞时，以水平线为渐近线变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（一）i1<iki2<ikN1N1h01KKhkN2N2h02第一步：定出各段渠道上的K-K线与N-N线（正坡时）；第二步：分析变坡渠道上、下游的水流流动情况，定出控制水深；第三步：画出非均匀渐变流的水面线b1变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（二）i1<iki2<ikKKhkh02N2N2N1N1h01a1i1<iki2>ikN1N1h01KKhkN2N2h02b1b2变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（三）i2<iki1>ikh02N2N2N1N1h01KKhkc1h02h02i1=0i2>ikKKhkN2N2h02b0b2N2N2h02b0b2变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（四）i1=0i2>ikKKhkLi1=0i2>ikKKN2N2当闸门下游平坡渠段L的大小变化时，水面线会出现哪些形式？i1=0i2>ikKKN2明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算——分段求和法计算公式其中计算方法：

首先将明渠划分成若干流段，然后由流段的已知断面求未知断面，逐段推算。根据不同情况，实际计算可能有两种类型：（1）已知流段两端的水深，求流段的距离△s（2）已知流段一端的水深和流段长△s，求另一端断面水深适用于棱柱体明渠，先分析出水面曲线的变化趋势，根据已知的一端水深，假设