第6章 明渠恒定流动.ppt

1、Engineering Fluid Mechanics,工程流体力学,山东建筑大学,目录,第1章 流体及其主要物理性质,第2章 流体静力学,第3章 流体动力学基础,第4章 流动阻力和水头损失,第5章 孔口、管嘴和有压管流,第6章 明渠恒定流动,明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽,明渠水流分类：,明渠恒定流,明渠非恒定流,明渠均匀流,明渠非均匀流,明渠非均匀流,无,第六章 明 渠 恒 定 流 动,A,A,Q,Cross section A-A,人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流,明渠流与有压流区别,有压管流： 具有封闭的湿周； 压力是流动的主要动力。 明渠流： 具有自

2、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,一、明渠横断面,1.天然河道的横断面,呈不规则形状，分主槽和滩地,枯水期：水流过主槽 丰水期：水流过主槽和滩地,断面确定：根据地质条件,2.人工明渠的横断面,据渠道的断面形状分:,梯形、矩形、圆形、抛物线形等,h,b,岩石中开凿或条石砌筑或混 凝土渠或木渠 矩形 排水管道或无压隧道 圆形 土质地基 梯形,渠道底宽 b 渠中水深 h 水面宽度 B 过水断面面积 A 水力半径 R 断面宽深比 ,边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离,m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表,二、明渠底坡,底坡i 渠底高程

3、沿水流方向单位距离的降落值称为底坡, 渠底线与水平线之间的夹角 如果用水平距离代替实际距离， 用垂直水深代替实际水深,明渠底坡有三种类型,正（顺）坡 i 0 渠底高程沿流程降低,平 坡 i = 0 渠底高程沿程不变,负（逆）坡 i 0 渠底高程沿流程增加,i 0,i = 0,i 0,缓流：,水流徐缓，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能逆流上传至较远地方。,常见于底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。,明渠流动的三种状态：缓流状态、急流状态、临界流,三、明渠流动状态,急流：,水流湍急，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，对上游来流无影响。,常见于山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。,流态判别方法：,1、波

4、速（c）法、水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。,静止水 v=0,运动水 v,2、弗劳德数法,弗劳德数：, 表征动能, 缓流, 急流,临界流,3、断面比能法,z0,h cos,h,z,z0,0,0,v,Q,上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面， 过水断面单位液重的总能量为,当底坡（6）较小的渠道， cos1，则,式中，Es为断面比能（断面单位能量）,比较,z0,h cos,h,z,z0,0,0,v,Q,E 和 Es 两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关 流量一定时，Es是断面形状、尺寸的函数 当流量和断面形状一定时，Es是水深函数 例如，均匀流,断面比能曲线

5、,渐近线1： 横坐标为渐近线,渐近线2： 坐标轴成45直线,当 , 流态为临界流,当 , 流态为临界流,临界流方程,或,hk 为临界水深,缓流,急流,缓流,急流,h,Es min,hk,Es,临界流,断面比能的变化规律,h1,h2,Es2,Es1,h,hk,Es,h1,h2,Es2,Es1,4、临界水深及其计算,临界流方程,(1) 矩形断面明渠,(2) 任意断面的明渠,为含hk 的高次隐函数式，不能直接求解hk,试算法、试算图解法,Hk 与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n、i 无关,在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量 一定时，均匀流正常水深 h0= hk 时，对应的 渠底底坡称为临界底坡ik。,临界底坡是一个假想底坡，与渠道实际底坡无关， 仅与渠道流量Q、糙率n、断面形状尺寸有关.,5、临界坡度法,由：,在上述三种底坡上，水可以作均匀流动， 也可以作非均匀流动，如作非均匀流动，则：,【例】有一矩形长渠道，已知流量Q25m3/s，渠宽b5m，糙率n0.025，底坡i0.0005。试用三种方法判别 该渠道在均匀流时的流态。,讨论：流态判定的几种方法,【解】,缓流,又,2 105