第二讲：明渠均匀流的特征

水力分析与计算主讲人：沈汉明渠均匀流的特征明渠水流的认知明渠均匀流特性明渠均匀流产生条件明渠均匀流计算公式一、明渠均匀流特性明渠均匀流明渠流中，流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不变。过水断面形状、尺寸、水深沿程不变断面流速分布、断面平均流速、流量、动能修正系数等沿程不变底坡、测压管水头线（即水面线）、总水头线互相平行明渠均匀流特性一、明渠均匀流特性底坡J、水面坡度JZ、总水头线互相平行二、明渠均匀流产生的条件由于明渠均匀流有上述特性，它的形成须要满足下列的条件:明渠水流为恒定流，流量沿程不变，无支流的汇入或分出。渠道须是长而直的棱柱体明渠，断面形状和大小沿程不变。渠道须是正坡明渠(i>0)，且底坡和粗糙系数沿程不变。所分析计算的渠段内水流不受闸、坝或跌水等水工建筑物的局部干扰二、明渠均匀流产生的条件渠道须是正坡明渠(i>0)。设想在产生均匀流动的明渠中取出一单位长度的流段ABCD进行分析。设此流段水体重量为G，周界的摩阻力为Ff，流段两端的动水压力各为P1、P2，渠底线与水平线的夹角为θ。明渠均匀流是一种等速直线运动，作用于流段上所有外力在流动方向的分量必相互平衡，即得流段受力方程：v2v1P2τ0GαABCDP1Ff二、明渠均匀流产生的条件因均匀流中过水断面上的压强按静水压强分布，而且各过水断面的水深及过水断面积相式中，故可知P1=P2，则可由流段受力方程推得G·sinθ=Ff。v2v1P2τ0GαABCDP1Ff平底渠道底坡i=0，流段重力在顺流方向分力G·sinθ=0;逆坡渠道i<0，流段重力的分力G·sinθ与摩阻力Ff的方向一致;因而都不可能满足G·sinθ=Ff,的平衡条件，故平底及逆坡渠段中，不可能产生均匀流动，只有在顺坡渠段中，才有可能产生均匀流。二、明渠均匀流产生的条件对于天然河道，因其断面几何尺寸、坡度、粗糙系数一般均沿程变化，所以不会产生均匀流。但对于较为水流顺直、断面规整的河段，当其余条件比较接近、变化很小时，可近似看做均匀流。对于实际工程中的渠道也不是都能严格满足上述条件要求的，特别是许多渠道中总有这样或那样建筑物存在，因此，大多数明渠中的水流都是非均匀流。但是，在顺直棱柱体渠道中的恒定流，当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离渠道进口、出口或水工建筑物有一定距离的渠段内，流量、底坡和糙率变化较小时，水流仍近似于均匀流，实际上常按均匀流处理。图明渠中的流动均匀流段非均匀流段非均匀流段三、明渠均匀流计算公式科学家谢才提出C——谢才系数R——水力半径J——水力坡度三、明渠均匀流计算公式

1769年谢才（A.Chezy）总结了一系列渠道水流实测资料的基础上，提出明渠均匀流流速与流量的经验公式——谢才公式，以后又有确定谢才系数的曼宁公式（R.Manning）、巴普洛甫斯基公式。谢才三、明渠均匀流计算公式对于明渠均匀流，A为过水面积，则：

式中，为流量模数。三、明渠均匀流计算公式流量模数综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义：水力坡度（底坡）为1时的流量（当J=i=1时，Q=K）。单位为m3/s未来职业岗位的应用未来职业岗位的应用明渠均匀流的认识和学习，为同学们今后对可近似看作均匀流的工况计算或者水力学实验中明渠水流的调试打下基础。小结本节课描述了明渠恒定均匀流的特性、