《水力學第七章》ppt課件

1、第七章 明渠恒定流 7-5 7-5 棱柱形渠道中漸變流水面曲線的棱柱形渠道中漸變流水面曲線的 定性分析定性分析 7-6 7-6 明渠漸變流水面曲線的定量計算明渠漸變流水面曲線的定量計算 7-5 7-5 棱柱形渠道中漸變流水面曲線的定性分析棱柱形渠道中漸變流水面曲線的定性分析 水面曲線定性分析的實際根底水面曲線定性分析的實際根底: :明渠恒定漸變流的明渠恒定漸變流的根本微分方程根本微分方程 對于正底坡渠道對于正底坡渠道i0 i0 sfEJidsdh對于平底坡渠道對于平底坡渠道i=0 i=0 sfEJdsdh對于反底坡渠道對于反底坡渠道i0 i0 dh/ds0時，水深沿程添加，產(chǎn)生雍水曲線時，水深

2、沿程添加，產(chǎn)生雍水曲線; ; dh/ds0 dh/ds0 i0 平底坡平底坡i=0 i=0 反底坡反底坡i0 i0 緩坡、陡坡和臨界坡緩坡、陡坡和臨界坡 能發(fā)生均勻流能發(fā)生均勻流 不能發(fā)生均勻流不能發(fā)生均勻流 不能發(fā)生均勻流不能發(fā)生均勻流 既有既有N-NN-N線也有線也有K-KK-K線，除臨界坡外均有三個分區(qū)線，除臨界坡外均有三個分區(qū) 沒有沒有N-NN-N線有線有K-KK-K線，有兩個分區(qū)線，有兩個分區(qū) 反底坡 臨界坡 =緩坡不同水面曲線依次加腳標不同水面曲線依次加腳標1 1、2 2、3 3、0 0、 以示區(qū)別。以示區(qū)別。 定性分析水面曲線定性分析水面曲線 根據(jù)知水深根據(jù)知水深h h在詳細渠道

3、中所處的區(qū)，確定在詳細渠道中所處的區(qū)，確定水面曲線的類型；水面曲線的類型； 指出指出dh/dsdh/ds的極限情況，即水面曲線兩端的極限情況，即水面曲線兩端的變化趨勢。的變化趨勢。 壅水曲線還是降水曲線，是哪種類型的壅水曲線壅水曲線還是降水曲線，是哪種類型的壅水曲線和哪種類型的降水曲線；和哪種類型的降水曲線； n 緩坡緩坡(iicr)(iicr)上上a a區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線0crhhh0hh22220/fJQKiKKi0fiJcrhh0sE( )/0( )fsiJdh dsEa1a1型壅水曲線型壅水曲線反 底 坡臨 界 坡=緩 坡在上游在上游0hh0/0( )dh ds水面線與水面線與N

4、-NN-N線漸近相切線漸近相切在下游在下游h 0,ffJiJi/1idh dsi水面線與程度線漸近相切水面線與程度線漸近相切0sE1sE0,ffJiJin 緩坡緩坡(iicr)(iicr)上上a a區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢111crhh0sEb1b1型降水曲線型降水曲線0hhhcr0hh iKiKKQJf22022/0fJi0)()(/sfEJidsdhn 緩坡緩坡(iicr)(iicr)上上b b區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線反 底 坡臨 界 坡=緩 坡在上游在上游0hh0/0( )dh ds水面線與水面線與N-NN-N線漸近相切線漸近相切在下游在下游水面線產(chǎn)生水跌水面線產(chǎn)

5、生水跌0sE0sEcrhh 0,ffJiiJ0)(/dsdh0,ffJiJin 緩坡緩坡(iicr)(iicr)上上b b區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢1c1c1型壅水曲線型壅水曲線0hhhcr0hh iKiKKQJf22022/0fJi0)()(/sfEJidsdhcrhh 0sEn 緩坡緩坡(iicr)(iicr)上上c c區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線反 底 坡臨 界 坡=緩 坡在上游，始于某一控制水深。在上游，始于某一控制水深。在下游在下游水面線產(chǎn)生水躍水面線產(chǎn)生水躍)0(sEcrhh 0,ffJiiJ)0()(/dsdhn 緩坡緩坡(iicr)(iicr)(iicr)上上

6、a a區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線0fJi反 底 坡臨 界 坡=緩 坡0fiJ在上游在上游產(chǎn)生水躍產(chǎn)生水躍在下游在下游h 0,ffJiJi/1idh dsi水面線與程度線漸近相切水面線與程度線漸近相切0sE1sEcrhh 0)(/dsdhn 陡坡陡坡(iicr)(iicr)上上a a區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢222b2b2型降水曲線型降水曲線0fJi0)()(/sfEJidsdh0hhhcr0hh22220/fJQKiKKicrhh 0sEn 陡坡陡坡(iicr)(iicr)上上b b區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線反 底 坡臨 界 坡=緩 坡在上游在上游0hh產(chǎn)生水跌產(chǎn)生水跌在

7、下游在下游與與N-NN-N線漸近相切線漸近相切0sE0sEcrhh 0fJi0)(0/dsdh0)(/dsdh0fJin 陡坡陡坡(iicr)(iicr)上上b b區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢222c2c2型壅水曲線型壅水曲線0hh iKiKKQJf22022/0fJi0)()(/sfEJidsdhcrhh 0sEhhhcr0n 陡坡陡坡(iicr)(iicr)上上c c區(qū)的水面曲線區(qū)的水面曲線反 底 坡臨 界 坡=緩 坡在上游，始于某一控制水深。在上游，始于某一控制水深。在下游在下游0hh 0)(0/dsdh0fJi0sE與與N-NN-N線漸近相切線漸近相切n 陡坡陡

8、坡(iicr)(iicr)上上c c區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢222n 臨界底坡臨界底坡(i=icr)(i=icr)上的水面曲線上的水面曲線N-NN-N線與線與K-KK-K線重合，即沒有線重合，即沒有b b區(qū)，只需區(qū)，只需a a區(qū)和區(qū)和c c區(qū)，區(qū)，也即只需也即只需a3a3型和型和c3c3型水面曲線。型水面曲線。 3=3a3a3型曲線的變化規(guī)律介于型曲線的變化規(guī)律介于a1a1和和a2a2之間，之間，c3c3型曲線型曲線的變化規(guī)律介于的變化規(guī)律介于c1c1和和c2c2之間，即之間，即a3a3和和c3c3曲線只能曲線只能是兩條程度線。是兩條程度線。n 平底坡平底坡(i=0

9、)(i=0)上的水面曲線上的水面曲線不存在正常水深不存在正常水深h0h0，即沒有，即沒有N-NN-N線，不存在線，不存在a a區(qū)，只區(qū)，只存在存在b b區(qū)和區(qū)和c c區(qū)，故只能產(chǎn)生區(qū)，故只能產(chǎn)生b0b0和和c0c0水面曲線。水面曲線。 水深在水深在b b區(qū)區(qū)crhh 0/sfEJdsdh0sE00=0水 平 線b0b0型降水曲線型降水曲線在上游在上游h 1sE0/dsdh0/22KQJf在下游在下游crhh 0sEdsdh/產(chǎn)生水跌產(chǎn)生水跌n 平底坡平底坡(i=0)(i=0)上的水面曲線上的水面曲線00=0水 平 線 水深在水深在c c區(qū)區(qū)crhh 0sE0/sfEJdsdhc0c0型壅水曲線

10、型壅水曲線在下游在下游crhh 0sEdsdh/產(chǎn)生水躍產(chǎn)生水躍在上游，始于某一控制水深。在上游，始于某一控制水深。n 反底坡反底坡(i0)(i0)上的水面曲線上的水面曲線 水深在水深在b b區(qū)區(qū)crhh 0/sfEJdsdh0sEbb型降水曲線型降水曲線在上游在上游h 1sE|/idsdh|/22iKQJf在下游在下游crhh 0sEdsdh/產(chǎn)生水跌產(chǎn)生水跌水 平 線0n 反底坡反底坡(i0)(i0)上的水面曲線上的水面曲線 水深在水深在c c區(qū)區(qū)crhh 0sE0/sfEJdsdhcc型壅水曲線型壅水曲線在下游在下游crhh 0sEdsdh/產(chǎn)生水躍產(chǎn)生水躍在上游，始于某一控制水深。在上

11、游，始于某一控制水深。水平線icriicr上的上的b b區(qū)是急流，其他底坡區(qū)是急流，其他底坡的的b b區(qū)是緩流區(qū)是緩流; ; 與與N-NN-N相鄰的水面線，都與相鄰的水面線，都與N-NN-N線漸近線漸近; ; 與與K-KK-K相鄰的水面線，都趨向與相鄰的水面線，都趨向與K-KK-K線正交線正交; ; 在在i0i0的三種底坡上，可發(fā)生均勻流，也可的三種底坡上，可發(fā)生均勻流，也可發(fā)生非均勻流發(fā)生非均勻流; ; 發(fā)生在緩坡上的均勻流，必為緩流均勻流；發(fā)生在緩坡上的均勻流，必為緩流均勻流； 發(fā)生在陡坡上的均勻流，必為急流均勻流；發(fā)生在陡坡上的均勻流，必為急流均勻流； 發(fā)生在臨界坡上的均勻流，必為臨界均

12、勻流。發(fā)生在臨界坡上的均勻流，必為臨界均勻流。 在在i0i0的底坡上，不能發(fā)生均勻流，但可發(fā)的底坡上，不能發(fā)生均勻流，但可發(fā)生緩流，也能發(fā)生急流。生緩流，也能發(fā)生急流。由斷面比能解釋水面曲線的變化規(guī)律由斷面比能解釋水面曲線的變化規(guī)律以橫斷面最低點的程度面為基準面時，壓能與以橫斷面最低點的程度面為基準面時，壓能與動能之和就是斷面比能；動能之和就是斷面比能； 均勻流特點：斷面比能沿程不變。均勻流特點：斷面比能沿程不變。 fhEzEz2211均勻流時，渠底高程的降低值等于沿程水頭損失均勻流時，渠底高程的降低值等于沿程水頭損失fhzz2121EE a a區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線

13、 a a區(qū)的水深大于均勻流水深，流速小于均勻流流區(qū)的水深大于均勻流水深，流速小于均勻流流速，所以流動中的沿程水頭損失小于均勻流時的速，所以流動中的沿程水頭損失小于均勻流時的沿程水頭損失沿程水頭損失 fhEzEz2211)(21zzhf21EE 斷面比能沿程添加斷面比能沿程添加 a a區(qū)的流動是緩流，斷面比能添加對應(yīng)著水深添區(qū)的流動是緩流，斷面比能添加對應(yīng)著水深添加，于是構(gòu)成壅水曲線。加，于是構(gòu)成壅水曲線。 c c區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線 c c區(qū)的水深小于均勻流水深，流速大于均勻流流區(qū)的水深小于均勻流水深，流速大于均勻流流速，所以流動中的沿程水頭損失大于均勻流時的速，所

14、以流動中的沿程水頭損失大于均勻流時的沿程水頭損失沿程水頭損失 fhEzEz2211)(21zzhf21EE 斷面比能沿程減小斷面比能沿程減小 c c區(qū)的流動是急流，：斷面比能減小對應(yīng)著水深區(qū)的流動是急流，：斷面比能減小對應(yīng)著水深添加，于是構(gòu)成壅水曲線。添加，于是構(gòu)成壅水曲線。 水面曲線的銜接水面曲線的銜接 由緩流向急流過渡時產(chǎn)生水跌由緩流向急流過渡時產(chǎn)生水跌 21由上渠的均勻流水深由上渠的均勻流水深h01h01過渡到下渠的均勻流過渡到下渠的均勻流水深水深h02h02水面曲線總的變化趨勢是降水。水面曲線總的變化趨勢是降水。 關(guān)鍵是確定銜接斷面關(guān)鍵是確定銜接斷面M-MM-M處的水深。處的水深。 由

15、急流向緩流過渡時產(chǎn)生水躍由急流向緩流過渡時產(chǎn)生水躍 由上渠的均勻流水深由上渠的均勻流水深h01h01過渡到下渠的均勻過渡到下渠的均勻流水深流水深h02h02水面曲線總的變化趨勢是壅水，水面曲線總的變化趨勢是壅水，由急流向緩流過渡還要產(chǎn)生水躍。由急流向緩流過渡還要產(chǎn)生水躍。 關(guān)鍵問題是在上渠中壅水還是在下渠中壅水。關(guān)鍵問題是在上渠中壅水還是在下渠中壅水。取決于水躍發(fā)生的位置，水躍發(fā)生的位置取決取決于水躍發(fā)生的位置，水躍發(fā)生的位置取決于于 的共扼水深的共扼水深 與與 之間的對比關(guān)系。之間的對比關(guān)系。 01h01h 02h 在下渠的在下渠的c c區(qū)將產(chǎn)生遠驅(qū)式水躍，水躍區(qū)將產(chǎn)生遠驅(qū)式水躍，水躍前有一

16、前有一c1c1壅水曲線，躍后斷面的水深為壅水曲線，躍后斷面的水深為h02h02，其后，其后為均勻流，整個上渠為均勻流。為均勻流，整個上渠為均勻流。 在上渠中產(chǎn)生水躍，躍前水深為在上渠中產(chǎn)生水躍，躍前水深為h01h01，水躍前為均勻流，水躍后有一水躍前為均勻流，水躍后有一a2a2壅水曲線，整個下壅水曲線，整個下渠為均勻流。渠為均勻流。 0201hh 0201hh N2MMi2ic rN1c1i1ic rKN2N1a2abchc rh0 1h0 2DK0201hh 水躍就發(fā)生在水躍就發(fā)生在M-MM-M斷面處。斷面處。 由緩流向緩流過渡時只影響上游，下游為由緩流向緩流過渡時只影響上游，下游為均勻流。

17、均勻流。 壅水曲線，關(guān)鍵是在上渠壅水還是在下渠壅水，壅水曲線，關(guān)鍵是在上渠壅水還是在下渠壅水，還是兩渠中均壅水，取決于還是兩渠中均壅水，取決于M-MM-M斷面處的水深。斷面處的水深。 cbai2icrbaN2a1ci1icr(i1i2)BN2KN2N2KN1N1A上渠中產(chǎn)生上渠中產(chǎn)生a1a1壅水曲線，下渠中為均勻流。壅水曲線，下渠中為均勻流。 由急流向急流過渡時只影響下游，上游為由急流向急流過渡時只影響下游，上游為均勻流。均勻流。 由水深由水深h01h01過渡到過渡到h02h02時總的趨勢是降水。時總的趨勢是降水。 上渠中為均勻流，下渠中產(chǎn)生上渠中為均勻流，下渠中產(chǎn)生b2b2降水曲線。降水曲線

18、。 MMcbacbai1ic ri2ic rKKN1N1N2N2b2i2i1 臨界底坡渠道中的流動型態(tài)將取決于相鄰臨界底坡渠道中的流動型態(tài)將取決于相鄰渠道底坡的陡緩。渠道底坡的陡緩。 假設(shè)上或下游相鄰渠道的底坡是緩坡，那假設(shè)上或下游相鄰渠道的底坡是緩坡，那么為由緩流過渡到緩流，假設(shè)上或下游相么為由緩流過渡到緩流，假設(shè)上或下游相鄰渠道的底坡是陡坡，那么為由急流過渡到急鄰渠道的底坡是陡坡，那么為由急流過渡到急流。流。 MMcai2ic rK ( N2)N1N2c3i1ic rcbaKN1h0 2h0 1 平底坡和反底坡渠道可視為緩坡渠道，水平底坡和反底坡渠道可視為緩坡渠道，水庫中的流動可視為緩流。

19、庫中的流動可視為緩流。 一平底坡與緩坡銜接的渠道。當上渠中的水深一平底坡與緩坡銜接的渠道。當上渠中的水深大于臨界水深時，上渠中只能發(fā)生大于臨界水深時，上渠中只能發(fā)生b0b0降水曲線，降水曲線，且在且在M-MM-M斷面的銜接水深只能是斷面的銜接水深只能是h02h02，下渠中為，下渠中為均勻流。均勻流。 0= 0c r定性分析水面曲線步驟定性分析水面曲線步驟 1) 1) 求正常水深求正常水深h0h0和臨界水深和臨界水深hcrhcr，然后將渠道縱，然后將渠道縱斷面分區(qū)。斷面分區(qū)。 正底坡渠道中底坡正底坡渠道中底坡i i大正常水深大正常水深h0h0小，平底坡和反底小，平底坡和反底坡渠道中無正常水深；坡渠道中無正常水深；2) 2) 確定控制水深。確定控制水深。 跌坎處及由緩坡向陡坡轉(zhuǎn)機處的水深為臨界水深跌坎處及由緩坡向陡坡轉(zhuǎn)機處的水深為臨界水深hcrhcr。 臨界水深臨界水深hcrhcr與底坡與底坡i i無關(guān)，隨流量增大而增大。無關(guān)，隨流量增大而增大。 3) 3) 由控制水深所處的區(qū)確定水面曲線的類型，由控制水深所處的區(qū)確定水面曲線的類型，由水面曲線變化規(guī)律確定水面曲線的變化趨勢。由水面曲線變化規(guī)律確定水面曲線的變化趨勢。 例例7.5.1 7.5.1 試定