水力学明渠流动课件.ppt

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1、第9章明渠流动§9.1概述§9.2明渠均匀流§9.3无压圆管均匀流§9.4明渠流动状态§9.5水跃和水跌§9.6棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析§9.1概述明渠（Channel）：是人工渠道、天然河道以及非满管流管道统称为明渠。明渠流（ChannelFlow）：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流动称为明渠流（明槽流）或无压流（FreeFlow）。§9.1概述一、明渠流动的特点1、具有自由液面，p0=0，无压流（满管流则是有压流）。2、湿周是过水断面固体壁面与液体接触部分的周长,不等于过水断面的周长。3、重力是流动的动力，重

2、力流（管流则是压力流）4、渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则流速↑，水深↓。5、明渠局部边界突然变化时，影响范围大。（有压管流影响范围小）§9.1概述二、明渠流的分类明渠流恒定流非恒定流均匀流非均匀流渐变流急变流三、明渠的分类明渠断面形状有：•梯形：常用的断面形状•矩形：用于小型灌溉渠道当中•抛物线形：较少使用•圆形：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中§9.1概述1、按明渠的断面形状和尺寸是否变化：棱柱形渠道（PrismaticChannel）：断面形状和尺寸沿程不变的长直明渠称为棱柱形渠道。非棱柱形渠道（Non-

3、PrismaticChannel）：断面形状和尺寸沿程不断变化的明渠称为非棱柱形渠道。明渠§9.1概述2、按底坡分底坡i——渠道底部沿程单位长度的降低值。正坡：i>0，明槽槽底沿程降低者,或称顺坡。平坡：i=0，明槽槽底高程沿程不变。逆坡：i<0，明槽槽底沿程增高，或称为反坡。§9.2明渠均匀流一、明渠均匀流形成条件及特征1、明渠均匀流的特征1）断面平均流速V和水深h沿程不变。2）总水头线、测压管水i>0头线（水面坡度线）和渠底线互相平行，即：列（1）-（2）能量方程得：△Z=hf§9.2明渠均匀流物理意义：水流因高程降低而引起

4、的势能减少正好等于克服阻力所损耗的能量，而水流的动能维持不变。2、形成条件1）底坡和壁面粗糙沿程不变的长而直的棱柱形渠道；2）渠道必须为顺坡(i>0)；3）渠道中没有建筑物的局部干扰；4）明渠中的水流必须是恒定的，沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变。§9.2明渠均匀流二、过流断面的几何要素（以梯形断面为例）1、基本量b——底宽；h——水深；m——边坡系数，m=cotαm越大边坡越缓；m越小边坡越陡；m=0时是矩形断面。根据边坡岩土性质及设计范围m来选定。§9.2明渠均匀流2、导出量B——水面宽B=b+2mhA——过流断面面积A=

5、(b+mh)hχ——湿周R——水力半径§9.2明渠均匀流三、明渠均匀流水力计算的基本公式连续性方程：谢才公式：K——明渠均匀流的流量模数C——谢才系数，按曼宁公式计算曼宁公式：§9.2明渠均匀流四、水力最优断面（TheBestHydraulicSection）水力最优断面：是指当渠道底坡i、壁面粗糙系数n及过流面积A大小一定时，通过最大流量时的断面形式。对于明渠均匀流，有说明：1）具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，水力半径R最大，即湿周最小的断面能通过最大的流量。2）i，n，A给定时湿周最小的断面是圆形断面即圆管

6、为水力最优断面。§9.2明渠均匀流对于梯形渠道断面解得§9.2明渠均匀流水力最优梯形断面的宽深比为水力最优梯形断面的水力半径为水力最优矩形断面的宽深比为(m=0)注意：1）水力最优梯形断面是一种窄深式渠道（当m≥1时，βh<1），只是水力条件最优(而非技术经济最优)。例如：对于梯形渠道，当m=2时，βh=0.472，即=0.472h，底宽不到水深的一半。2）一般地水力最优断面应用于一些小型的排水渠或小型的，灌溉渠道中。大型渠道应进行综合比较，确定最佳断面。§9.2明渠均匀流五、渠道的允许流速在设计中，要求渠道流速v在不冲、不淤的

7、允许流速范围内，即：[v]max——渠道不被冲刷的最大允许流速，即不冲允许流速，根据壁面材料而定；[v]min—渠道不被淤积的最小允许流速，即不淤允许流速。排水明渠0.4m/s§9.2明渠均匀流§9.2明渠均匀流六、明渠均匀流水力计算的基本问题明渠均匀流的基本公式为：（一）验算渠道的输水能力对已建成的渠道进行校核性的水力计算已知：n，i，m，b，h，确定Q（二）确定渠道的底坡已知渠道的土壤或护面材料、设计流量以及断面的几何尺寸，即已知n，Q和b，m，h各量，确定渠道的底坡i§9.2明渠均匀流（三）确定渠道的断面尺寸在设计一条新渠

8、道时，一般已知流量Q、渠道底坡i、边坡系数m及粗糙系数n，要求设计渠道的断面尺寸，即确定渠道的底宽b和水深h。这时将有多组解，为得到确定解，需要另外补充条件。1、水深h已定，求相应的底宽b§9.2明渠均匀流2、底宽b已定，求相应的水深h3、宽深比β已定，求相应的