流體力學(xué)7-4.5(40學(xué)時)課件

第四節(jié)明渠運動狀態(tài)明渠水流有兩種截然不同的運動狀態(tài)：急流：水流湍急，水面遇障礙物隆起后流過,上游水面不發(fā)生壅高，障礙物干擾對上游來流無影響；常見于陡槽、瀑布、險灘中緩流：水流徐緩，常見于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季節(jié)的平原河道中,遇到障礙物（如河道中的孤石）阻水，則障礙物前水面壅高，逆流上傳到較遠的地方1一、明渠非均勻流產(chǎn)生原因和特征1、產(chǎn)生原因明渠均勻流（等速流、等深流）只發(fā)生在斷面形狀尺寸、i、n沿程不變的長直渠道中（渠道邊界不發(fā)生變化）明渠非均勻流（實際情況）當(dāng)在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破壞了明渠均勻流發(fā)生的條件，造成了流速、水深的沿程變化，從而產(chǎn)生明渠非均勻流流動。水工建筑物：橋、涵管、壩、閘、跌水自然因素：河渠過流斷面、河床底坡非均勻流(壅水曲線）原均勻流水面h0i<icM122、特征水力特點明渠均勻流

i=J=Jp

明渠非均勻流i≠J≠Jp水面線明渠均勻流——直線

明渠非均勻流——曲線

明渠非均勻流主要討論的問題：計算各過水?dāng)嗝嫠頷的沿程變化，即分析和計算渠道的水面曲線。h0i<icM13二、斷面單位能量Cross-sectionalUnitEnergy1、定義任取一斷面，其單位重量液體的機械能

zhJJP0-0i>001-01eEz0-001-01h斷面單位能量：是指當(dāng)基準(zhǔn)面0-0取在渠底最低高程時，單位重量流體所具有的機械能將基準(zhǔn)面提高z，使其通過該斷面最低點，單位重量液體相對于新基準(zhǔn)面01-01的機械能

4斷面單位能量(斷面比能）2、說明（e與E的區(qū)別）e為基準(zhǔn)面選在斷面最低點的機械能，水流通過該斷面時運動參數(shù)v、h所表現(xiàn)出的能量對于明渠流動，每個斷面都有一個e值e與E的基準(zhǔn)面相差一個渠底位置高度Z(位能)，且E沿程是同一個基準(zhǔn)面，而e是通過各自斷面最低點為基準(zhǔn)面，沿程基準(zhǔn)面不相同E沿程減少，e沿水流方向可以增大、不變或減??；當(dāng)de/ds=0時為均勻流一定條件下e=f(h)，e為水深的單值連續(xù)函數(shù)，故可利用e的變化規(guī)律作為對水面曲線分析計算的有效工具。53、斷面單位能量曲線

棱柱形渠道(斷面形狀尺寸一定)、Q=c，e隨水深而變化，為水深h的單值連續(xù)函數(shù)h1hhh=e45h2emin

ehce=f(h)基本特征水深很小h0，則e，以橫軸為漸近線水深很大h，則eh，以45線為漸近線在e=f(h)的連續(xù)區(qū)間內(nèi)，必有一極小值存在曲線分兩支：上支de/dh>0隨著e增加h增加——緩流

下支de/dh<0

隨著e增加h減少——急流且相應(yīng)于任意e有兩個水h1、h2。6平均水深

hm=A/B緩流Fr<1斷面單位能量曲線e的上支急流Fr>1斷面單位能量曲線e的下支臨界流Fr=1斷面單位能量曲線e的最小點三、弗勞德數(shù)Fr臨界弗勞德數(shù)Frc=17四、臨界流速vc臨界弗勞德數(shù)Frc臨界流速vc

實際明渠中，水通常是流動的，臨界流速vc與微幅干擾波的波速有關(guān)。弗勞德數(shù)Fr8定義式hm=A/B——梯形斷面明渠的平均水深，特征長度物理意義9五、臨界水深hc(Criticaldepth)在斷面形式和流量給定的條件下，相應(yīng)斷面單位能量最小時emin的水深，此時de/dh=0矩形斷面明渠水流：hhc臨界水深計算式(試算法或圖解法求解)P168例7-4q=Q/b——單寬流量m2/s

h>hc緩流h<hc急流10六、臨界底坡ic

(CriticalSlope)棱柱形渠道中的斷面形狀尺寸、流量一定時，在渠中形成均勻流，若均勻流的正常水深h0恰好等于該流量時的臨界水深hc，則這個渠道的底坡就稱為臨界底坡。明渠均勻流：臨界水深：臨界底坡：

臨界底坡是對應(yīng)某一流量和某一給定形狀尺寸渠道的特定渠底坡度值，是為了計算或分析明渠流動的方便而引入的一個假設(shè)坡度（特定坡度）11

緩坡、陡坡、臨界坡緩坡i<ic：實際的明渠底坡小于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為緩坡，流態(tài)為緩流。急坡i>ic：實際的明渠底坡大于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為急坡（陡坡），流態(tài)為急流。臨界坡i=ic：實際的明渠底坡等于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為臨界坡，流態(tài)為臨界流。12流態(tài)判別方法匯總注：1、2、3適用于均勻流或非均勻流——普通標(biāo)準(zhǔn)4只適用于均勻流——專屬標(biāo)準(zhǔn)。緩流急流臨界流123413例7-1長直的矩形斷面渠道底寬b=1m，粗糙系數(shù)n=0.014，底坡i=0.0004，渠內(nèi)均勻流正常水深h0=0.6m。試判別水流的流動狀態(tài)解:水力半徑謝才系數(shù)斷面平均流速為1．用弗勞德數(shù)判別

緩流2．用臨界水深判別

緩流143．用臨界底坡判別

用臨界水深hc=0.24m,計算相應(yīng)量

此渠道為緩坡渠道，此均勻流是緩流4.用臨界速度判別

緩流15第五節(jié)水躍和水跌水躍：明渠水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)時，水面驟然躍起的局部水力現(xiàn)象水跌：明渠水流從緩流狀態(tài)過渡到急流狀態(tài)時，水面突然降落的局部水力現(xiàn)象。

水流由一種狀態(tài)過渡到另一種流動狀態(tài)，理論上是水面升、降變化經(jīng)過臨界水深的過程，研究水流銜接、運動狀態(tài)的過渡問題，均需由此入手。

16一、水躍HydraulicJump1、水躍的定義急流→緩流(h<hc→h>hc)在溢洪道下、泄水閘下、平坡渠道中閘下出流時均可形成。2、水躍的結(jié)構(gòu)（分區(qū)）旋滾區(qū)（表面水滾）：水躍區(qū)域的上部呈飽摻空氣的表面旋滾似的水渦。主流區(qū)：水躍區(qū)域下部為在鉛直平面內(nèi)急劇擴張前進的水流。C-Cv1v2h'

急流區(qū)水躍區(qū)域緩流區(qū)旋滾區(qū)水躍長度i=0

主流區(qū)水躍高度h"17二、水跌HydraulicDrop