第六章明渠均匀流.ppt

1、,第6章 明渠均匀流,本章讲述明渠恒定均匀流的基本特性形成条件基本公式以及如何运用公式解决水力工程的均匀流计算等问题。 明渠均匀流运动规律，是渠道设计的重要理论依据之一，广泛用于工程实践。同时它又是学习明渠非均匀流的基础，因此，应当熟练掌握基本概念基本公式和基本方法。明渠水流的自由水面会随着渠道条件和水流条件而变化。所以在水力计算上，明渠流问题比有压管流问题要复杂一些。,本章主要内容,本章的重点,明渠均匀流的特性和形成条件； 明渠流水力计算应考虑的几个问题； 明渠均匀流水力计算的类型和方法。,天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。,当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的

2、自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。 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； 明渠水面线即测压管水头线,6-1 概述,有压管流：具有封闭的湿周； 压力是流动 的主要动力。,明渠水流根据其空间点上运动要素是否随时间变化，可分为恒定流和非恒定流；,根据其运动要素是否随流程变化，可分为均匀流与非均匀流；非均匀流又有渐变流和急变流之分。,明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。,本章只讨论明渠恒定均匀流问题。,1) 明渠分类,（一）明渠的横断面,天然河道的横断面,人工渠道的横断面,棱柱形渠道和非棱柱形渠道,棱柱形渠道

3、：断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道。 非棱柱形渠道：断面形状、尺寸或底坡改变的渠道。,（二）明渠的底坡,渠底与纵剖面的交线称为渠底线，常用符号i来表示，是指渠底的高差与相应渠长的比值。,当底坡较小时：,在工程中明渠底坡可能有三种情况：,2) 明渠断面形式,3)明渠的几何参数,一般明渠： 过水断面面积A：垂直于流向的横断面 水面宽B 水深h： 底坡i ：明渠纵断面上渠底线的坡度 因 很小，通常可取,梯形断面明渠,是最常见的人工渠道。其基本几何参数为水深h、底宽b和边坡系数m。 边坡系数 ，由土壤的力学性质决定。 过水断面面积 水面宽 湿周 水力半径 。当m=0，为矩形断面。,4）

4、明渠按底坡分类,顺坡（Falling slope）i0 ，底坡高程沿程下降， z1z2 平坡（Horizontal slope) i=0 ，底坡高程沿程不变 z1=z2 逆坡（Adverse slope) i0 ，底坡高程沿程抬高， z1z2,6-2 明渠恒定均匀流,均匀流是一种匀速直线运动，均匀流质点的运动参数沿程不变。 明渠均匀流是一种最简单的明渠流。但其理论是渠道设计的依据，也是进行非均匀流分析计算的基础。,明渠均匀流的基本特征,水深、断面平均流速和流速分布等都沿程不变，其流线为一组与渠底线平行的直线。,在一定距离上水流单位势能的减少恰好等于克服沿程阻力的能量损失,总水头线、测压管水头线

5、和渠底线互相平行，即总水头线坡度J、测压管水头线JP、底坡i相等。,均匀流的形成条件,棱柱形直渠道; 顺坡i0; n沿程不变； 无局部障碍； 恒定流Q =const。,2.明渠均匀流的基本公式,明渠水流一般属于紊流粗糙区（阻力平方区），hf v2 其基本公式有三个： 连续方程 谢才公式 满宁公式,3.水力最优断面和允许流速,1）水力最优断面：给定渠道断面形状、尺寸、断面面积A、n 、i，能通过的Q=Qmax形式的断面。（或通过给定流量，A=Amin )。,水力最佳断面与实用经济断面,下面对土质渠道常用的梯形断面，讨论其水力最佳条件。,梯形断面水力最佳条件 ：,已知,则,水力最佳断面与实用经济断

6、面,梯形水力最佳断面的宽深比条件：,上式表明： 梯形水力最佳断面的宽深比仅与边坡系数有关。,梯形水力最佳断面的水力半径均等于水深的一半。,对于矩形断面，,水力最佳断面不一定是渠道的实用经济断面。,设计渠道断面时，要从经济和技术方面来考虑，既要考虑水力的最佳断面，但又不能完全受此条件约束。,水力最佳断面与实用经济断面,水力最优梯形断面,最优宽深比 最优断面面积 最优湿周 最优水力半径,梯形断面的边坡系数 m,梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌，边坡的稳定性及边坡系数m选择由土壤力学性质决定。,水力最优断面存在的问题,当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比b/h是唯一的。 水力最优断面

7、往往为“窄深形”，达不到经济的目的。,2）实用经济断面,指导思想：认为水力最优断面不是唯一的一个，而是有一个范围，可从中选择一个既便于施工、应用，又很经济的断面，同时也基本符合最优断面的要求。,实用经济断面存在可能性,给定A=const，绘出 ，由图可见 存在极小值。而在的极小值附近变化十分缓慢，即当有微小变化： ，水深h却有较大的变化范围，因而可从中选择一个合适的宽深比。定义实用经济断面：,3）渠道的允许流速, 不冲不淤流速要求：vminvvmax 不冲流速:由土壤的种类、粒径、密实度 等决定 不淤流速：由水流挟沙量决定。 最小流速要求： 南方清水渠道：v0.5m/s（避免水草滋生） 北方结

8、冰渠道：v0.6m/s（防止结冰） 技术经济要求：根据渠道所担负的任务。,保证渠道按设计要求正常工作的限值流速，称为允许流速。,4.明渠均匀流的水力计算,明渠均匀流的水力计算有3种类型： 1）验算已设计好渠道的输水能力：,已知b、h、m、i、n，求Q。由均匀流计算基本公式：,对于梯形断面,代入流量公式可求出Q。,2）确定渠道的底坡：已知流量或流速和渠道的断面形状、尺寸。 注意：定出后，还须验算是v否满足不冲、不淤要求（加糙、减糙等）。 以上两种方法均可直接用公式。,3) 设计渠道断面尺寸,这一类型分4种情况，都必须试算。 (1)已知h ，求b 设b计算Q，点绘曲线，内插求b 。,(2)底宽b已

9、定，求相应的水深h,(3)按水力最优断面的条件，设计断面尺寸b和h,已知n、m、i、Q、h（或b），求b（或h），需计算求解。,(4)已知： m、n、i、Q、vmax ,求b、h,例题： P158-P159,4、无压圆管均匀流的水力计算,这里主要介绍城市下水道的水力计算。 1)无压圆管均匀流的水流特征： 属明渠均匀流：J=Jp=i； Q=Qmax 发生在满流之前。 即水力最优断面的充满度,（1）几个概念,充满度 充满角 水深 过水断面 湿周 水力半径,（2）水力最优充满度 对于一定的无压圆管（d、n、i一定），流量随管中水深h变化，由基本公式,说明无压圆管通过的流量在管道满流前便能达到最大值，

10、 相应的充满度是水力最优充满度，与最优充满度对应的 充满角是水力最优充满角。,当 Q=QMax ，VVmax,最优充满度Q=QMax 最大流速充满度V=Vmax,2) 无压圆管水力计算, 校核过流能力：已知d, n, 和i, 求Q 设计底坡：已知Q, d, n, ，求 i 设计d：已知Q, n, i和 ，求d 这类问题必须试算。,3）无压圆管设计规范,污水管的最大设计充满度,污水管道应按不满流计算。,雨水管道和合流管应按满流计算。 排水管的最大设计流速：金属管为10m/s,非金属管为5m/s. 排水管的最小设计流速：对污水管道（在设计充满度下），当管径500mm时，为0.7m/s;当管径500mm, 为0.8m/s。在实际工作中可参阅有关手册与规范。,例题：P162,明渠均匀流的基本特征,课后小结,明渠水流概念,明渠的几何性质（横断面、底坡 ）,明渠均匀流的产生条件,明渠均匀流的基本公式,水力最佳断面与实用经济断面,渠道的允许流速,典型习题分析,解：,计算题,典型习题分析,可见，两渠道在过水断面面积相等时，由于渠道的底宽和水深不同，它们的过水能力是不同的，水力半径越大的，其过水能力越强。或者说湿周越小的，过水能力就越强。,典型习题分析,计算题,典型习题分析,选择题,2、水力最优断面是： A、