第六章 流体力学明渠流动.ppt

1、6-1 概述,明渠恒定均匀流,明渠恒定非均匀流,渐变流,急变流,第六章 明渠流动,壅水曲线,水跃,降水曲线,水跌,明渠流动的特点,重力作用、底坡影响、水深可变是明渠流动的特点,底坡的类型,顺坡渠道,平坡渠道,逆坡渠道,棱柱形渠道,非棱柱形渠道,棱柱形渠道与非棱柱形渠道,明渠均匀流的形成条件,明渠均匀流的水力特征,（1）等深等速 （2）明渠均匀流的各项坡度都相等,（1）沿程不变的顺坡长直渠道 （2）棱柱形渠道（大小、形状不变），粗糙系数n 沿程不变。 （3）流量恒定不变,6-2 明渠均匀流,水面宽度,过水断面面积,湿周,水力半径,边坡系数,过流断面的几何要素,明渠均匀流的基本公式,正常水深,流量

2、模数,明渠均匀流的水力计算,水力计算问题：,验算渠道的输水能力 决定渠道底坡 设计渠道断面,（1）已知底宽，求水深 （2）已知水深，求底宽 （3）由宽深比确定 （4）限定最大允许流速,水力最优断面和允许流速,一定时，,一定时，,水力最优断面,要使,一般圆形断面的湿周最小,或,梯形断面的水力最优断面,梯形水力最优断面的宽深比,矩形断面,梯形断面,允许流速,最小流速,不淤流速,最大流速,不冲流速,允许流速,6-3 无压圆管均匀流,满流时，充满度,非满流时,水力计算问题：,验算输水能力 决定管道底坡 计算管道直径,流速最大,流量最大,最大充满度、允许流速,6-4 明渠流动状态,静水微波以波速 均匀向

3、四周扩散,微波只能向下游传播，不能向上游传播,急流,微幅干扰波波速,微波既能向下游传播，又能向上游传播,缓流,微波只能以 向下游传播，不能向上游传播,临界流,微幅干扰波波速,管流,明渠流,弗劳德数,或,因为,弗劳德数,弗劳德数的平方值代表了单位重量流体的动能与平均势能之半的比值,急流,缓流,临界流,波速法,弗劳德数法,急流、缓流和临界流的判别方法,断面单位能量 临界水深,断面比能,断面能量,断面单位能量 临界水深,存在,要求,要使,须,而,急流,缓流,临界流,曲线的上支,曲线的下支,断面比能法,弗劳德数法,波速法,急流、缓流和临界流的判别方法,临界水深,临界水深三大水深之一,又,仅与流量、断面

4、形状、断面尺寸有关,正常水深三大水深之一,与流量、断面形状、断面尺寸、粗糙系数、底坡有关,急流,缓流,临界流,断面比能法,弗劳德数法,波速法,临界水深法,急流、缓流和临界流的判别方法,矩形断面的临界水深,单宽流量,矩形断面的临界流速,临界底坡,缓坡,急坡,临界坡,临界底坡,宽浅型渠道,临界底坡是一种假设底坡，随着流量的增大，临界底坡减小，原为缓坡渠道会变为急坡渠道,急流,缓流,临界流,断面 比能法,弗劳 德数法,波速 法,临界 水深法,临界 底坡法,问：缓坡水流是否一定为缓流？,（均匀流）,判别水流流态的五种方法,6-5 水跃和水跌,跃前水深,跃后水深,缓流,急流,水跃高度,跃长,水跃急流向缓

5、流过渡的水力现象,水跃基本方程,水跃函数,存在,越小,越大,水跃基本方程,水跃函数,矩形断面的共扼水深的计算,水跃长度,水跃中的能量损失,或,Fr1和Fr2分别为跃前和跃后水流的弗劳德数。,或,水跌缓流向急流过渡的水力现象,明渠恒定均匀流,明渠恒定非均匀流,渐变流,急变流,6-6 棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析,壅水曲线,水跃,降水曲线,水跌,断面比能,总能量,棱柱形渠道非均匀渐变流基本方程,急流,缓流,分子,分母,临界流,棱柱形渠道非均匀渐变流基本方程,趋于均匀流，以NN为渐进线,水面线是水平线,壅水曲线,水跃,降水曲线,水跌,缓坡,急坡,临界坡,平坡,逆坡,顺坡,M1, M2, M3

6、,C1, C3,A2, A3,五种底坡十二种水面曲线类型,S1, S2, S3,H2, H3,缓坡渠道（1区）,M1是下凹的壅水曲线,分子,分母,缓坡渠道（1区）,上游：,趋于均匀流，以NN为渐近线,下游：,水面线是水平线,缓坡渠道（2区）,M2是下凸的降水曲线,分子,分母,缓坡渠道（2区）,上游：,趋于均匀流，以NN为渐近线,下游：,水跌,缓坡渠道（3区）,M3是下凹的壅水曲线,分子,分母,缓坡渠道（3区）,上游：,由上游水工建筑物控制,下游：,水跃,(1) 各区域内，1区和3区的曲线为壅水曲线，2区为降水曲线。1型壅水曲线下游渐近水平线，H2，A2降水曲线上游渐近水平线。,（2）除C1、C

7、3型外（临界坡），曲线趋于N-N线时，以N-N线为渐近线；曲线趋于C-C线时，发生水跌或水跃。,水面曲线变化规律（1）,（3） 因急流的干扰波只能向下游传播，急流状态的水面线（M3、S2、S3、C3、H3、A3）控制水深必在上游；缓流的干扰波可以上传，缓流状态的水面线（M1、M2、S1、C1、H2、A2）控制水深必在下游。,(1) 各区域内，1区和3区的曲线为壅水曲线，2区为降水曲线。1型壅水曲线下游渐近水平线，H2，A2 降水曲线上游渐近水平线。,（2）除C1、C3型外（临界坡），曲线趋于N-N线时，以N-N线为渐近线；曲线趋于C-C线时，发生水跌或水跃。,水面曲线变化规律（2）,（3）因急

8、流的干扰波只能向下游传播，急流状态的水面线（ M3、S2、S3、C3、H3、A3 ）控制水深必在上游；缓流的干扰波可以上传，缓流状态的水面线（M1、M2、S1、C1、H2、A2）控制水深必在下游。,(1)各区域内，1区和3区的曲线为壅水曲线，2区为降水曲线。1型壅水曲线下游渐近水平线，H2，A2 降水曲线上游渐近水平线。,（2）除C1、C3型外（临界坡），曲线趋于N-N线时，以N-N线为渐近线；曲线趋于C-C线时，发生水跌或水跃。,水面曲线变化规律（3）,（3）因急流的干扰波只能向下游传播，急流状态的水面线（ M3、S2、S3、C3、H3、A3 ）控制水深必在上游；缓流的干扰波可以上传，缓流状

9、态的水面线（M1、M2、S1、C1、H2、A2）控制水深必在下游。,(1)各区域内，1区和3区的曲线为壅水曲线，2区为降水曲线。1型壅水曲线下游渐近水平线，H2， A2 降水曲线上游渐近水平线。,（2）除C1、C3型外（临界坡），曲线趋于N-N线时，以N-N线为渐近线；曲线趋于C-C线时，发生水跌或水跃。,水面曲线变化规律（4）,（3）因急流的干扰波只能向下游传播，急流状态的水面线（ M3、S2、S3、C3、H3、A3 ）控制水深必在上游；缓流的干扰波可以上传，缓流状态的水面线（M1、M2、S1、C1、H2、A2）控制水深必在下游。,(1) 各区域内，1区和3区的曲线为壅水曲线，2区为降水曲线

10、。1型壅水曲线下游渐近水平 线，H2， A2 降水曲线上游渐近水平线。,（2） 除C1、C3型外（临界坡），曲线趋于N-N线时，以N-N线为渐近线；曲线趋于C-C线时，发生水跌或 水跃。,水面曲线变化规律（5）,（3） 因急流的干扰波只能向下游传播，急流状态的水面线（ M3、S2、S3、C3、H3、A3 ）控制水深必在上游；缓流的干扰波可以上传，缓流状态的水面线（M1、M2、S1、C1、H2、A2）控制水深必在下游。,（5） 当两段底坡不同渠道中的水面曲线连接时，产生下列情况： 1）当急流向缓流过渡时产生水跃；,水面曲线变化规律（6）,（4） 正底坡长渠道中干扰的远端是均匀流。,(均匀流急坡缓

11、坡),2）当缓流向急流过渡时产生水跌；,水面曲线变化规律（7）,(均匀流缓坡急坡),水面曲线变化规律（8）,3）由缓流向缓流过渡时只影响上游，下游仍为均匀流；,(均匀流缓坡缓坡),水面曲线变化规律（9）,4）由急流向急流过渡时只影响下游，上游仍为均匀流；,5）平坡及逆坡分析水面曲线时均可视为缓坡。,(均匀流急坡急坡),第六章 小结（1）,本章阐述了明渠水流的水力特点和计算方法。明渠水流同有压管流相比，特点是具有自由水面，由于水深可变，过流断面面积以及流速也随之变化。,1 明渠均匀流是理想化的等深、等速流动，其水力特征是各项坡度皆相等，,基本公式,明渠均匀流的水深沿程不变，称为正常水深，以 表示

12、。,水力最优断面的概念及其宽深比、水力半径特性。,第六章 小结（2）,2 明渠非均匀流自由水面的水流现象，因流动状态（缓流、急流）而异，为此要建立表征明渠流动状态的基本概念。,（1）明渠干扰微波的传播现象显示明渠水流的流动状态。微波速度 明渠流速同微波速度之比的平方，定义为弗劳德数 。,（2）断面比能是以通过该断面最低点的基准面计算的机械能，对于棱柱形渠道，流量一定，断面单位能量只随水深变化。 。其间存在极小值 ，相应的水深称为临界水深，临界水深的隐函数式 。对于矩形渠道 。若明渠水深等于临界水深，则该流动为临界流，其流速为临界流速。,（3）临界底坡是为便于分析明渠均匀流的流动状态而引入的比较坡度,第六章 小结（3）,2 明渠水流流动状态的判别,急流,缓流,临界流,断面比能法,弗劳德数法,波速法,临界水深法,临界底坡法,（均匀流）,第六章 小结（4）,3 水跃和水跌是明渠水流状态转化过程中，水流升、降变化经过临界水深时发生