明渠均匀流教材

水力学课件重庆电力高等专科学校全国高职高专水利水电类精品规划教材第六章明渠恒定均匀流概述明渠恒定均匀流的特性及计算公式明渠恒定均匀流的水力计算明渠均匀流计算中的几个问题6-1概述一、明渠水流类型：人工渠道和天然渠道特点：明渠水流是无压流，有自由表面。恒定流：当明渠中水流的运动要素不随时间而变时，称为明渠恒定流。均匀流：如果流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，称为明渠恒定均匀流；本章仅研究明渠恒定均匀流。二、明渠的过水断面型式1、过水断面形式及水力要素见图6-1。对于梯形断面：边坡系数m，反映渠道两侧倾斜程度。断面形状水面宽度

B过水断面积

A湿周

x水力半径

R*式中以弧度计常见的过水断面的水力要素2、棱柱体渠道断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲渠道，称为棱柱体渠道。3、明渠底坡明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符号i表示，等于渠底线与水平线夹角的正弦，即顺坡明渠平坡明渠逆坡明渠只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。6-2明渠均匀流的特性及其生产条件一、明渠均匀流的特性

1．过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。

2．过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因而，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。

3．总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即顺坡明渠中，均匀流摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡．二、明渠均匀流产生的条件1．水流应为恒定流，流量沿程不变，无支流的汇入和分出。2．渠道必须是顺坡。3．粗糙系数沿程不变，且沿程没有建筑物对水流形成干扰。4．渠道渠道必须是长而直、底坡沿程不变的棱柱体。三、明渠均匀流的计算公式6-3明渠均匀流的水力计算对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系一般情况下，边坡系数m及粗糙系数n是根据渠道护面材料的种类，用经验方法来确定。因此，工程实践中所提出的明渠均匀流的水力计算问题，主要有下列几种类型：1、已成渠道的水力计算（1）已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量（或流速）。（2）已知渠道的断面尺寸b、m、h、底坡i、流量Q反推粗糙系数n.2、设计新渠道的水力计算（1）已知渠道的设计流量Q，水深h、底宽b、粗糙系数n及边坡系数m，求底坡i。（2）已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边坡系数m，要求设计渠道断面尺寸。一、校核渠道的输水能力二、确定渠道的底坡三、渠道粗糙系数的计算四、设计渠道的断面尺寸（1）已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求水深h。（2）已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。（3）已知渠道的设计流量Q、底坡i、宽深比β=b/h0、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b及h0。h0称为正常水深。6-4明渠均匀流计算中的几个问题一、水力最佳断面水力最佳断面满足下述条件：当渠道的底坡i、粗糙系数n及过水断面积A一定时，通过流量Q最大；或当i、n、Q一定时，所需的过水断面积A最小。也即：断面积A一定时，湿周最小的断面。由几何学可知，面积一定时圆形断面的湿周最小，水力半径最大；半圆形断面是水力最佳的。

对于梯形断面，根据水力最佳断面的条件：

对于梯形断面，根据水力最佳断面的条件：

对于梯形断面的特例——矩形断面：

矩形或梯形水力最佳面实际上是半圆的外切多边形断面。二、允许流速1、渠道中的流速应小于不冲允许流速。2．渠道是的流速应大于不淤流速3、允许流速还应满足其他要求。三、渠道的综合糙率问题由于不同材料具有不同的粗糙系数，因此，当明渠的渠底和渠壁采用不同材料的时，粗糙系数会沿湿周发生变化．当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时，按照下式计算四、复式断面渠道的水力计算当通过渠道变化范围比较大时，渠道的端面形状常采用如图所示的复式断面。复式断面的粗糙系数沿湿周可能不变，也可能发生变化。无论粗糙系数沿湿周变化与否，均不能对整个复式断面渠道中的均匀流直接应用公式（6-1６）来计算流量否则就会得到一个不符合实际情况.复式断面明渠均匀流的流量一般按下述方法计算：即先将复式断面划分成几个部分，使每一个部分的湿周不致因水深的略微增大而产生急剧的增加．如下图所示。