流体力学：明渠流动.ppt

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1、明渠流动人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道等统称为明渠明渠流是一种具有自由表面的流动，自由表面上各点受当地大气压的作用，其相对压强为零，所以又称为无压流动。与有压管流不同，重力是明渠流的主要动力，而压力是有压管流的主要动力。明渠水流根据其水力要素是否随时间变化分为恒定流和非恒定流动。明渠恒定流动又根据流线是否为平行直线分为均匀流和非均匀流。（流程）明渠流的自由表面会随着不同的水流条件和渠身条件而变动，形成各种流动状态和水面形态，在实际问题中，很难形成明渠均匀流。但是，在实际应用中，如在铁路、公路、给

2、排水和水利工程的沟渠中，其排水或输水能力的计算，常按明渠均匀流处理。明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。(1)棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。前者的过水断面面积A仅随水深h变化，即A=f(h)；后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化，即A=f(h,s)，s为过水断面距其起始断面的距离。(2)顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底

3、与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡，用i表示，如图，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为Δs，该两断面间渠底高程差为(a1-a2)=Δa，渠底线与水平线的夹角为θ，则底坡i为。在水力学中，规定渠底高程顺水流下降的底坡为正当渠底坡较小时，例如i＜0.1或θ＜6°时，因两断面间渠底线长度Δs，与两断面间的水平距离Δl，近似相等，Δs≈Δl，则由图可知在上述情况下，两断面间的距离Δs可用水平距离Δl代替，并且，过水断面可以看作铅垂平面，水深h也可沿铅垂线方向量取。明渠底坡可能有三种情况(如

4、图)。渠底高程沿流程下降的，称为顺坡(或正坡)，规定i＞0；渠底高程沿流程保持水平的，称为平底坡，i=0；渠底高程沿流程上升的，称为逆坡(或负坡)，规定i＜0。明渠均匀流的特征和形成条件(1)过水断面的形状和尺寸、流速分布、流量和水深，沿流程都不变(2)总水头线、测管水头线(在明渠水流中，就是水面线，其坡度以Jw表示)。和渠底线都互相平行(图)，因而它们的坡度相等根据上述明渠恒定均匀流的各种特性，可见只有同时具备下述条件，才能形成明渠恒定均匀流：(1)明渠中水流必须是恒定的，流量沿程不变；(2)明渠必须

5、是棱柱形渠；(3)明渠的糙率必须保持沿程不变；(4)明渠的底坡必须是顺坡，同时应有相当长的而且其上没有建筑物的顺直段。只有在这样长的顺直段上而又同时具有上述三条件时才能发生均匀流。明渠均匀流的基本公式明渠恒定均匀流，可采用谢才公式计算：对于明渠恒定均匀流，由于J=i，所以上式可写为Q=Av=AC式中K为流量模数上式中谢才系数C可以用曼宁公式计算。将曼宁公式代入谢才公式中便可得到谢才系数C是反映断面形状尺寸和粗糙程度的一个综合系数，它与水力半径R和粗糙系数n有关。而n值的影响比R值的影响大的多。一般的工程

6、计算，可以根据附录中的表格来查取n值。重要的工程需要进行实验来确定。水力最优断面和允许流速从水力学的角度考虑，最感兴趣的一种情况是：在流量、底坡、糙率已知时，设计的过水断面形式具有最小的面积；或者在过水断面面积、底坡、糙率已知时，设计的过水断面形式能使渠道通过的流量为最大。这种过水断面称为水力最优断面Q=所以要在给定的过水断面积上使通过的流量为最大，过水断面的湿周就必须为最小。从几何学知，在各种明渠断面形式中最好地满足这一条件的过水断面为半圆形断面(水面不计入湿周)，因此有些人工渠道(如小型混凝土渡槽)

7、的断面设计成半圆形或U形，但由于地质条件和施工技术、管理运用等方面的原因，渠道断面常常不得不设计成其它形状。下面对土质渠道常用的梯形断面讨论其水力最优条件。梯形断面的湿周χ=b+2h边坡系数m已知，由于面积A给定，b和h相互关联，b=A/h–mh，所以χ=在水力最优条件下应有得到水力最优的梯形断面的宽深比条件渠道的允许流速一条设计得合理的渠道，除了考虑上述水力最佳条件及经济因素外，还应使渠道的设计流速不应大到使渠床遭受冲刷，也不可小到使水中悬浮的泥沙发生淤积，而应当是不冲、不淤的流速。因此在设计中，要

8、求渠道流速v在不冲、不淤的允许流速范围内，即v″＜v＜v′v′——免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；v″——免受淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算，可分为两类：一类是对已建成的渠道，根据生产运行要求，进行某些必要的水力计算，例如，求流量；求某渠段水流的水力坡度J(=i)；求某渠段通水后的糙率；绘制渠道运用期间的水深流量关系曲线等。另一类是为设计新渠道进行水力计算，如确定底宽b，水深h，底坡