水力学-第六章 明渠非均匀流课件.ppt

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1、水力学第六章明渠非均匀流6.1明渠水流状态判别6.2临界水深和临界坡度6.3渐变流水面曲线定性分析6.4水跃产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生非均匀流动。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此不平行，水深沿程变化。V1V2h1h2水面线总水头线主要研究的任务：就是分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度、回水淹没的范围等。为了区别，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。非均匀流的水深以h表示。6.1.1明渠水流状态判别6.1.1明渠水流状态判别明渠非均匀流的主要研究任务（1）定性分

2、析水面曲线；（2）定量计算水面曲线。6.1.1明渠水流状态判别将一块石子投入静水中，水面以投石点为中心产生一系列同心圆，其以一定速度离开中心向四周扩散。将石子投入等速运动的水流中，则波传播速度是水流流速与波速向量和。V=vwVvw式中，v为水流速度，vw为微波（扰动波）波速缓流vvw明渠流态6.1.1明渠水流状态判别缓流：水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播。急流：水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而不能向上游传播。6.1.1明渠水流状态

3、判别缓流河流中有些水面宽阔的地方，底坡平坦，水流缓慢，当水流遇有障碍时（如桥墩、大石头等），上游水面普遍抬高，而阻碍物处水位往下跌落。6.1.1明渠水流状态判别急流在河流有些水面狭窄的地方，底坡陡峻，且水流湍急，当水流遇到石块等障碍物时，便一跃而过，石块顶上掀起浪花，而上游水面未受影响。6.1.1明渠水流状态判别定义弗劳德（Froude）数表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流时，重力对水流起主导作用。6.1.1明渠水流状态判别弗劳德（Froude）数的物理意义：表示过水断面单位重量液体平均动能与

4、平均势能之比的二倍。Fr愈大，意味着水流的平均动能所占的比例愈大。6.1.1明渠水流状态判别当时,水流为缓流；当时,水流为急流；当时,水流为临界流；流态判断缓流：vvwFr>1Fr是流态判别的准数6.1.1明渠水流状态判别OOhz0zθooO′O′z0断面上单位重量液体所具有的总能量：断面比能：单位重量水体相对于过水断面最低点处的水平面的总能量。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h的函数6.1.2明渠水

5、流断面比能渐近线2：坐标轴成45°直线渐近线1：横坐标为渐近线45°ohEsKhkEsmin6.1.2明渠水流断面比能(水面宽)当,流态为临界流dhBdAEsminhhkEsEsminhhkEs当h>hk时，为缓流6.1.2明渠水流断面比能对上半支曲线：h>hkEs随着h的增大而增大hEsminhkEs6.1.2明渠水流断面比能当h

6、渠水流断面比能例有一浆砌块石护面的梯形断面渠道，边坡系数m=1.5，粗糙系数n=0.025，底坡i=0.0004，底宽b=5m，当渠中通过流量Q=8m3/s时渠道中的正常水深h0=1.40m，试用所学的方法判别该渠道中的流动类型。（1）波速法是缓流。（2）弗劳德数法是缓流。（3）断面比能法是缓流。式中，Ak为临界流时的过水面积Bk为水面宽度hk为临界水深临界流方程或当流态为临界流临界流方程hk与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n、i无关。注意6.2.1明渠水流临界水深矩形断面明渠临界流条件下，矩形明渠水深占断面比能的2/3，流速水头占

7、断面比能的1/3。6.2.1明渠水流临界水深2.梯形断面明渠6.2.1明渠水流临界水深为含hk的高次隐函数式，不能直接求解hk。求解方法试算法试算图解法试算法重新假定6.2.1明渠水流临界水深YESNO试算图解法hhkQ2/gA3/B6.2.1明渠水流临界水深解:由已知条件计算过程详见下表例梯形断面渠道m=1.5，b=10m，Q=50m3/s，hk？6.2.1明渠水流临界水深6.2.2明渠水流临界坡度对于明渠均匀流，当流量Q、断面形状及尺寸相同时底坡较缓者，水深较大（h0>hk），流速较小，缓流均匀流底坡较陡者，水深较小（h0

8、，流速较大，急流均匀流均匀流水深h0=hk，临界流均匀流缓坡iik临界坡度i=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。可以作为判断水流流态的标准。临界底坡满