水力学_第7章 明渠流动课件.ppt

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1、水力学教学课件主讲教师：刘伟答疑地点：综合实验楼106第六章内容回顾简单管道水力计算的基本公式简单管道水力计算的基本类型简单管道水力计算特例——虹吸管及水泵串联管道的水力计算并联管道的水力计算第7章明渠流动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

2、计算上，明渠流问题比有压管流问题要复杂一些。本章的重点明渠的几何性质（横断面、底坡）；明渠均匀流的特性和形成条件；明渠均匀流的基本公式；水力最佳断面与实用经济断面，允许流速；明渠均匀流水力计算的类型和方法。明渠一种人工修建、或自然形成的渠明渠流有自由面（液面处为大气压强）。明渠流又称无压流。§7.1明渠流动概述当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，故明渠流为无压流。明渠流特点：①具有自由水面（水面压强为大气压），重力是流动的主要动力；②底坡的改变对断面流速和水深有直接影响；

3、③局部边界的变化引起水深在很长的流程上发生变化；④明渠水面线即测压管水头线。有压管流：①具有封闭的湿周；②压力是流动的主要动力。明渠流与有压流区别自由液面明渠流：有自由面,随时空变化,呈现各种水面形态有压管流：无自由液面非恒定均匀流明渠流：非恒定流必是非均匀流有压管流：非恒定管流可以是均匀流明渠恒定流明渠流中的水力要素（时均值）均不随时间变化，称明渠恒定流，否则称明渠非恒定流。明渠均匀流明渠流中，流线是一簇平行直线，水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不变。明渠断面形状、尺寸、底坡对水流运动有重要影响。

4、因此，要了解明渠水流运动的规律，首先必须了解明渠类型及其水力要素等。（一）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：明渠底坡有三种类型正坡（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坡（逆坡）i<0渠底高程沿流程增加（二）棱柱形渠道与非棱柱形渠道明渠的横断面垂直于渠道壁面的平面与水流的接触面人工明渠横断面天然河道明渠断面形式人工明渠横断面通常有矩形、梯形、圆形、马蹄形断面等形式1.矩形断面水面宽度过水面积湿周水力半径常用于岩石中开凿、

5、两侧用条石砌成的渠混凝土渠木渠hb2.梯形断面：水面宽度B=b+2mh过水面积湿周水力半径Bhb1m土基上的渠3.圆形断面水面宽度过水面积湿周水力半径用于无压隧洞dhθ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河道横断面河道横断面形状不规则，分主槽和滩地两部分枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地滩地主槽天然河道横断面形状不规则，由主槽与滩地组成。其一般是非棱柱体；若断面变化不大，又较平顺，可近似作为棱柱体渠道。滩地主槽渠道分类棱柱体渠道非棱柱体渠道渠道的分类棱柱体

6、渠道断面形状尺寸底坡渠道不弯曲糙率例如，人工开凿的大部分渠道沿程不变非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体非棱柱体渠道断面形状尺寸底坡渠道弯曲糙率例如，天然河道人工渠道连接段（扭面）沿程改变非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体非棱柱体（纽面）棱柱体非棱柱体112233棱柱体3322117.2.1明渠均匀流的水力特征过水断面形状、尺寸、水深沿程不变断面流速分布断面平均流速流量动能修正系数等沿程不变§7.2明渠均匀流底坡、水面坡度、总水头线互相平行θihhJJzvv底坡、水面坡度、总水头线互相

7、平行7.2.2明渠均匀流的形成条件充分必要条件力学条件渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的分力始终平衡（大小相等，方向相反）能量条件水面下降值始终等于水头损失明渠均匀流中摩阻力与水流重力在流动方向的分力平衡．设想在产生均匀流动的明渠中取一单位长度的流段ABCD进行分析，则作用于流段上所有外力杂流动方向的分量必须相互平衡，即因FP1=FP2则有。上式表明明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向的分力相平衡。必要条件恒定流流量沿程不变（无分叉和汇流情况）渠道为长、直的棱柱体顺坡渠渠中无闸、坝、跌水等建筑物

8、的局部干扰底坡、糙率沿程不变底坡i>0,并在较长距离内保持不变①棱柱形直渠道;②顺坡i＞0;③n沿程不变；④无局部障碍；⑤恒定流Q=const。实际渠中总有各种建筑物。因此，多数明渠流是非均匀流。严格说，不存在明渠均匀流，均匀流是对明渠流动的一种概化。近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流天然河道某些顺直、整齐河