水力學(xué)知識點(diǎn)總結(jié)講解

水力學(xué)知識點(diǎn)總結(jié)講解/水力學(xué)知識點(diǎn)總結(jié)講解《水力學(xué)》學(xué)習(xí)指南央廣播電視大學(xué)水利水電工程專業(yè)(專科)同學(xué)們,你們好!這學(xué)期我們學(xué)習(xí)的水力學(xué)是水利水電工程專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。通過本課程的學(xué)習(xí),要求大家掌握水流運(yùn)動的基本概念、基本理論和分析方法,;能夠分析水利工程一般的水流現(xiàn)象;學(xué)會常見的工程水力計(jì)算。今天直播課堂的任務(wù)是給大家進(jìn)行一個(gè)回顧性總結(jié),使同學(xué)們在復(fù)習(xí)水力學(xué)時(shí),了解重點(diǎn)和難點(diǎn),同時(shí)全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)總結(jié)課程內(nèi)容,達(dá)到考核要求。第一章緒論(一)液體的主要物理性質(zhì)1.慣性與重力特性:掌握水的密度ρ和容重γ;描述液體內(nèi)部的粘滯力規(guī)律的是牛頓內(nèi)摩擦定律:下面我們介紹水力學(xué)的兩個(gè)基本假設(shè):水靜力學(xué)包括靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力兩部分內(nèi)容。通過靜水壓強(qiáng)和靜水總壓力的計(jì)算,我們可以求作用在建筑物上的靜水荷載。(一)靜水壓強(qiáng):主要掌握靜水壓強(qiáng)特性,等壓面,水頭的概念,以及靜水壓強(qiáng)的計(jì)算和不同表示方法。(它是靜水壓強(qiáng)計(jì)算和測量的依據(jù))p=p0+γh或其:z—位置水頭,p/γ—壓強(qiáng)水頭(z+p/γ)—測壓管水頭請注意,“水頭”表示單位重量液體含有的能量。4.壓強(qiáng)的三種表示方法:絕對壓強(qiáng)p′,相對壓強(qiáng)p,真空度pv,↑它們之間的關(guān)系為:p=p′-papv=│p│(當(dāng)p<0時(shí)pv存在)↑相對壓強(qiáng):p=γh,可以是正值,也可以是負(fù)值。要求掌握絕對壓強(qiáng)、相對壓強(qiáng)和真空度三者的概念和它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。1pa(工程大氣壓)=98000N/m2=98KN/m2下面我們討論靜水總壓力的計(jì)算。計(jì)算靜水總壓力包括求力的大小、方向和作用點(diǎn),受壓面可以分為平面和曲面兩類。根據(jù)平面的形狀:對規(guī)則的矩形平面可采用圖解法,任意形狀的平面都可以用解析法進(jìn)行計(jì)算。(一)靜水總壓力的計(jì)算1)平面壁靜水總壓力(1)圖解法:大小:P=Ωb,Ω--靜水壓強(qiáng)分布圖面積方向:垂直并指向受壓平面作用線:過壓強(qiáng)分布圖的形心,作用點(diǎn)位于對稱軸上。cpz=+γdyduμτ=靜水壓強(qiáng)分布圖是根據(jù)靜水壓強(qiáng)與水深成正比關(guān)系繪制的,只要用比例線段分別畫出平面上倆點(diǎn)的靜水壓強(qiáng),把它們端點(diǎn)聯(lián)系起來,就是靜水壓強(qiáng)分布圖。(2)解析法:大小:P=pcA,pc—形心處壓強(qiáng)方向:垂直并指向受壓平面作用點(diǎn)D:通常作用點(diǎn)位于對稱軸上,在平面的幾何心之下。求作用在曲面上的靜水總壓力P,是分別求它們的水平分力Px和鉛垂分力Pz,然后再合成總壓力P。(3)曲面壁靜水總壓力1)水平分力:Px=pcAx=γhcAx水平分力就是曲面在鉛垂面上投影平面的靜水總壓力,它等于該投影平面形心點(diǎn)的壓強(qiáng)乘以投影面面積。要求能夠繪制水平分力Px的壓強(qiáng)分布圖,即曲面在鉛垂面上投影平面的靜水壓強(qiáng)分布圖。2〕鉛垂分力:Pz=γV,V壓力體體積。在求鉛垂分力Pz時(shí),要繪制壓力體剖面圖。壓力體是由自由液面或其延長面,受壓曲面以及過曲面邊緣的鉛垂平面這三部分圍成的體積。當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的同側(cè),那么鉛垂分力的方向向下;當(dāng)壓力體與受壓面在曲面的兩側(cè),則鉛垂分力的方向向上。3〕合力方向:α=arctg下面我們舉例來說明作用在曲面上的壓力體和靜水總壓力。例5圖示容器左側(cè)由寬度為b的直立平面AB和半徑為R的1/4圓弧曲面BC組成。容器內(nèi)裝滿水,試?yán)L出AB的壓強(qiáng)分布圖和BC曲面上的壓力體剖面圖及水平分力的壓強(qiáng)分布圖,并判別鉛垂作用力的方向,鉛垂作用力大小如何計(jì)算?(2)對曲面BC,水平分力的壓強(qiáng)分布如圖所示,水平分力PX=1/2[γH+γ(H+R)]Rb:壓力體是由受壓曲面、過受壓曲面周界作的鉛垂面、向上或向下與自由表面或它的延長面相交圍成的體積。因此,以1/4圓弧面BC為底(閃動曲面),以曲面兩端點(diǎn)向上作鉛垂線,與水面線相交,圍成壓力體。由于與水接觸的受壓面與壓力體在曲面BC的同一側(cè),因此鉛垂作用力的方向是向下的。鉛垂方向作用力的大小:Fz=γV=γ[(H+R)R-1/4πR2]b第三章液體運(yùn)動基本概念和基本方程這一章主要掌握液體運(yùn)動的基本概念和基本方程,并且應(yīng)用這些基本方程解決實(shí)際工程問題。下面我們首先介紹有關(guān)液體運(yùn)動的基本概念:(一)液體運(yùn)動的基本概念1.流線的特點(diǎn):反映液體運(yùn)動趨勢的圖線。流線的性質(zhì):流線不能相交;流線不能轉(zhuǎn)折。2.流動的分類非恒定流均勻流:過水?dāng)嗝嫔虾愣鞣蔷鶆蛄鳚u變流急變流在均勻流和漸變流過水?dāng)嗝嫔?壓強(qiáng)分布滿足:xzPP液流cpz=+γ另外斷面平均流速和流量的概念要搞清。(二)液體運(yùn)動基本方程1.恒定總流連續(xù)方程v1A1=v2A2,Q=vA利用連續(xù)方程,已知流量可以求斷面平均流速,或者通過兩斷面間的幾何關(guān)系求斷面平均流速。2.恒定總流能量方程J=—水力坡度,表示單位長度流程上的水頭損失。能量方程是應(yīng)用最廣泛的方程,能量方程的最后一項(xiàng)hw是單位重量液體從1斷面流到2斷面的平均水頭損失,在第四章專門討論它的變化規(guī)律和計(jì)算方法,(1)能量方程應(yīng)用條件:恒定流,只有重力作用,不可壓縮漸變流斷面,無流量和能量的出入(2)能量方程應(yīng)用注意事項(xiàng):三選:選擇統(tǒng)一基準(zhǔn)面便于計(jì)算選典型點(diǎn)計(jì)算測壓管水頭:選計(jì)算斷面使未知量盡可能少(壓強(qiáng)計(jì)算采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn))(3)能量方程的應(yīng)用:它經(jīng)常與連續(xù)方程聯(lián)解求:斷面平均流速,管道壓強(qiáng),作用水頭等。文丘里流量計(jì)是利用能量方程確定管道流量的儀器。畢托管則是利用能量方程確定明渠(水槽)流速的儀器。當(dāng)我們需要求解水流與固體邊界之間的作用力時(shí),必須要用到動量方程。3.恒定總流動量方程∑Fx=ρQ(β2v2x-β1v1x)投影形式∑Fy=ρQ(β2v2y-β1v1y)∑Fz=ρQ(β2v2z-β1v1z)β—動量修正系數(shù),一般取β=1.0式:∑Fx、∑Fy、∑Fz是作用在控制體上所有外力沿各坐標(biāo)軸分量的合力,V1i,V2i是進(jìn)口和出口斷面上平均流速在各坐標(biāo)軸上投影的分量。動量方程的應(yīng)用條件與能量方程相似,恒定流和計(jì)算斷面應(yīng)位于漸變流段。應(yīng)用動量方程特別要注意下面幾個(gè)問題:(2)動量方程應(yīng)用注意事項(xiàng):a)動量方程是矢量方程,要建立坐標(biāo)系。(所建坐標(biāo)系應(yīng)使投影分量越多等于0為好,這樣可以簡化計(jì)算過程。)b)流速和力矢量的投影帶正負(fù)號。(當(dāng)投影分量與坐標(biāo)方向一致為正,反之為負(fù))c)流出動量減去流入動量。2112AAvv=whgvpzgvpz+++=++222222221111αγαγ()υβυβρ122-=∑QFγpz+d)正確分析作用在水體上的力,一般有重力、壓力和邊界作用力(作用在水體上的力通常有重力、壓力和邊界作用力)e)未知力的方向可以任意假設(shè)。(計(jì)算結(jié)果為正表示假設(shè)正確,否則假設(shè)方向與實(shí)際相反)通常動量方程需要與能量方程和連續(xù)方程聯(lián)合求解。下面我們舉例說明液體動量方程的應(yīng)用:例3水平床面河道上設(shè)一弧形閘門,閘前漸變流斷面1的水深為H,閘下收縮斷面2的水深hc,閘門段水頭損失為1斷面流速水頭的1.2倍,,求水流對弧形閘門的作用力F?解:根據(jù)題意,求水流對邊界的作用力,顯然要應(yīng)用動量方程求解,由于流速流量未知,首先要利用連續(xù)方程和能量方程把動量方程的所需的流速v、流量Q計(jì)算出來。)解:(1)連續(xù)方程(2)能量方程求p2(建立1—1,2—2斷面的能量方程)取河床水平面為基準(zhǔn)面,代表點(diǎn)選在水面,則p1=p2=0,水頭損失hw=1.2v21/2g.取α1=α2=1.0∴Q=v1A1=V1×B×H(3)用動量方程求水流對弧形閘門的作用力(取包括閘門段水體進(jìn)行示力分析,建立圖示坐標(biāo),因水體僅在X方向有當(dāng)動量變化,故設(shè)閘門對水體的反作用力為水平力Rx,方向如圖所示,作用在水體上的重力沿x方向?yàn)榱?x方向的動量方程:P1-P2-Rx=ρQ(v2-v1)∴Rx=P1-P2-ρQ(v2-v1)對于所取的兩漸變流斷面:P1=1/2γH2B;P2=1/2γhc2B水流對弧形閘門的作用力F與Rx大小相等,方向相反,作用在水體上)下面我們簡單介紹液體運(yùn)動三元流分析的基礎(chǔ)。(三)三元流分析的基礎(chǔ)*(不做考試要求)液體微團(tuán)運(yùn)動的基本形式:平移、線變形、角變形、旋轉(zhuǎn)2.有旋流動與無旋流動的區(qū)別。當(dāng)ωx=ωy=ωz=0,為無旋流動或稱有勢流動。3.平面勢流的特點(diǎn)滿足無旋條件:=0—存在勢函數(shù)φ1125)(vhHvvc?==whgvpzgvpz+++=++222222221111αγαγ)(22.2522.12250201212121cchHgvgvgvhgvH-?=+++=++)(21yxuxyuz??-??=ω滿足連續(xù)方程:0第四章流態(tài)與水頭損失在討論恒定總流能量方程時(shí)我們曾經(jīng)介紹過,水頭損失hw是非常復(fù)雜的一項(xiàng)內(nèi)容,我們將就討論水頭損失以及與水頭損失有關(guān)的液體的流態(tài)。(一)水頭損失的計(jì)算方法1.總水頭損失:hw=∑hf+∑hj(1)沿程水頭損失:達(dá)西公式圓管λ—沿程水頭損失系數(shù)R—水力半徑圓管(2)局部水頭損失δ—局部水頭損失系數(shù)從沿程水頭損失的達(dá)西公式可以知道,要計(jì)算沿程水頭損失,關(guān)鍵在于確定沿程水頭損失系數(shù)λ。而λ值的確定與水流的流態(tài)和邊界的粗糙程度密切相關(guān)。下面我們就首先討論液體的流態(tài)。(二)液體的兩種流態(tài)和判別(1)液體的兩種流態(tài):雷諾實(shí)驗(yàn)層流—液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻的層狀流動。hf∝V1.0紊流—存在渦體質(zhì)點(diǎn)互相混摻的流動。hf∝V1.75-2當(dāng)流速比較小的時(shí)候,各流層的液體質(zhì)點(diǎn)互相不混摻,定義為層流。當(dāng)流速比較大的時(shí)候,各流層內(nèi)存在渦體,并且流層間的質(zhì)點(diǎn)互相混摻,定義為紊流。那么液體的流態(tài)怎樣進(jìn)行判別呢?(2).流態(tài)的判別:雷諾數(shù)Re,明槽:Rek=500圓管:,Rek=2000流態(tài)的判別的概化條件:Re<Rek層流;Re>Rek紊流判別水流流態(tài)的雷諾數(shù)是重要的無量綱數(shù),它的物理意義表示慣性力與粘滯力的比值。3.圓管層流流動(1)斷面流速分布特點(diǎn):拋物型分布,不均勻:(2)沿程阻力系數(shù):=??yyu+??xxugRlhf242υλ=vReRυ=vdυ=Revu2max=Re64=λχAR=gdlhf22υλ=4dR=vR4?=υ層流流動的沿程水頭損失系數(shù)λ只是雷諾數(shù)的函數(shù),而且與雷諾數(shù)成反比。那么紊流λ是怎么計(jì)算的呢?首先要了解一下紊流的特性。4.紊流運(yùn)動特性(1)紊流的特征—液層間質(zhì)點(diǎn)混摻,運(yùn)動要素的脈動(2)紊流內(nèi)部存在附加切應(yīng)力:(3)紊流邊界有三種狀態(tài):紊流:當(dāng)Re較小<0.3水力光滑當(dāng)Re較大>6水力粗糙;當(dāng)Re介于兩者之間過渡區(qū)(4)紊流流速分布(紊流流速分布比層流流速分布更加均勻)對數(shù)流速分布指數(shù)流速分?jǐn)?shù)當(dāng)Re<105n=1/7通過尼古拉茲實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)紊流三個(gè)流區(qū)內(nèi)的沿程水力摩擦系數(shù)的變化規(guī)律。5.λ的變化規(guī)律尼古拉茲實(shí)驗(yàn)(人工粗糙管)層流區(qū):λ=f1(Re)=λ=f2(Re)λ=λ=紊流粗糙區(qū)也稱為紊流阻力平方區(qū),沿程水力摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)無關(guān),所以沿程水頭損失與流速成正比。與雷諾實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在實(shí)際水利工程常用舍齊公式和曼寧公式計(jì)算流速或沿程水頭損失,需要掌握。6.舍齊公式與曼寧公式舍齊公式:曼寧公式:適用:紊流阻力平方區(qū)通常水頭損失計(jì)算常用:第五章有壓管流(一)有壓管道恒定流1.小孔口恒定出流:自由出流淹沒出流μ—流量系數(shù),μ=0.60~0.62z—上下游水位差。ReA(Re,03rf?(04rf?RJCV=6/11RnC=cyuux+=*lnκnmxryuu??????=0gHAQ2μ=zgAQ2μ=28Cg=λ603.0≤?≤δ0δ?1.管嘴恒定出流流量公式:—管嘴流量系數(shù)=0.82工作條件:l=(3~4)d管嘴與孔口相比,收縮斷面C—C處存在負(fù)壓,所以同樣條件下,管嘴的流量系數(shù)大,表明其過流能力大。(二)簡單管道水力計(jì)算(1)短管和長管(2)管流的計(jì)算任務(wù):a)求過流能力Qb)確定作用水頭Hc)測壓管水頭線和總水頭線的繪制。(3)短管水力計(jì)算自由出流流量公式:流量系數(shù):b)淹沒出流公式:(4)長管水力計(jì)算:特點(diǎn):忽略不計(jì)基本公式:—流量模數(shù)(5)水頭線繪制注意事項(xiàng):(1)局部水頭損失集在一個(gè)斷面(2)管流速不變,總水頭線平行于測壓管水頭線(3)總水頭線總是下降,而測壓管水頭線可升可降(4)當(dāng)測壓管水頭線在管軸線(位置水頭線)以下,表示該處存在負(fù)壓(5)注意出口的流速水頭(自由出流)或局部損失(淹沒出流)。下面我們舉例說明簡單管道的水力計(jì)算方法。例1:倒虹吸管,已知Q=0.5m3/s,管徑d=0.53m,n=0.014,l=70m,上下游的流速水頭忽略不計(jì),δ進(jìn)口=0.4,δ彎=0.2,δ出口=1.0。求:上下游水gHAQ2μ'=μ'μ'02gHAQcμ=∑++=ζλμdlc11gZAQc2μ=∑+=ζλμdlc1gdlhHf22υλ==lKQH22=RAcK=∑+jhgv22位差z。解:∴(三)管道非恒定流—水擊1.水擊現(xiàn)象:(畫圖)水擊定義:當(dāng)閥門突然啟閉,流速急劇改變引起水流壓強(qiáng)大幅度升降,向上游或下游傳播,并在邊界上反射的現(xiàn)象。(水擊壓強(qiáng)以壓力波的形式向上游或下游傳播)2水擊的波速和相長水擊波速相長____相長是水擊波傳播一個(gè)來回的時(shí)間,L是管長)周期____3水擊分類:(1)直接水擊Ts≤T(從邊界反射減壓波尚未回到閥門處,閥門已關(guān)閉,水擊壓強(qiáng)達(dá)到最大值)(2)間接水擊Ts>T(與上反之)4直接水擊壓強(qiáng)計(jì)算:因此在水利工程的水輪機(jī)、泵站的壓力管道設(shè)計(jì),必須十分重視水擊的影響,防止發(fā)生水擊破壞。延長閘門的關(guān)閉時(shí)間和縮短壓力管道的長度,使管道內(nèi)產(chǎn)生間接水擊是降低水擊壓強(qiáng)的有效措施。第六章明槽水流運(yùn)動明渠水流主要討論四部分內(nèi)容:1.明渠均勻流水力計(jì)算;2.明渠水流流態(tài)的判別;3.水躍及水躍共軛水深計(jì)算;4.明渠非均勻流水面曲線分析和計(jì)算。(一)明槽均勻流1.均勻流特征:(1)水深,底坡沿程不變(過水?dāng)嗝嫘螤畛叽绮蛔?)/(11435smDEKaδ+=aLT2=aLT42=)(0VVap-=?ρ)(0VVgaH-=?gZAQc2μ=dlcλζζζμ+++=出口彎進(jìn)口213120244.08dCg==λ6161)4(014.011dRnC==2222AgQZcμ=∑+=ζλμdlc(2)斷面平均流速沿程不變(3)三線平行J=Jz=i(總水頭線、水面線、渠底)3.明槽均勻流公式:Q=VA∴—流量模數(shù)4.明槽均勻流水力計(jì)算類型:(1)求流量Q(2)求渠道糙率n(3)求渠道底坡:(4)設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸求正常水深h0、底寬b對于以上問題都可以直接根據(jù)明渠均勻流公式進(jìn)行計(jì)算。(二)明槽水流的流態(tài)和判別1.明槽水流三種流態(tài):緩流急流臨界流在這里我們要注意把明槽水流的三種流態(tài)與前面討論過的層流、紊流區(qū)分開來。緩流、急流、臨界流是對有自由表面的明槽水流的分類;層流、紊流的分類是對所有水流(包括管流和明槽水流)都適用;3.佛汝德數(shù)Fr:佛汝德數(shù)Fr是水力學(xué)重要的無量綱數(shù),它表示慣性力與重力的對比關(guān)系,與雷諾數(shù)一樣也是模型實(shí)驗(yàn)的重要的相似準(zhǔn)數(shù),雷諾數(shù)表示慣性力與粘滯力的對比關(guān)系。(3)斷面比能Es:0緩流0急流臨界流斷面比能Es是以過明渠斷面最低點(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)的單位重量水體具有的總機(jī)械能。需要注意,。不同斷面的斷面比能,它的基準(zhǔn)面是不同的,所以斷面比能沿流程可以減少,也可以增加或不變,均勻流各斷面的斷面比能就是常數(shù)。(4)臨界流方程:(一般斷面)6/11RnC=iKRiACQ==RACK=22222gAQhghsEααν+=+=21FrdhsdE-=kBkAgQ32=α重力慣性力==hgVFr臨界水深hk:(矩形斷面)注意:臨界水深是流量給定時(shí),相應(yīng)于斷面比能最小值時(shí)的水深。(5)臨界底坡ik:均勻臨界流時(shí)的底坡。i=ik,須要強(qiáng)調(diào),緩坡上如果出現(xiàn)非均勻流,那么緩流、急流都可以發(fā)生。對于陡坡也同樣如此。下面舉例說明流態(tài)的判別:(三)水躍和跌水1.跌水:由緩流向急流過渡。水深從大于臨界水深hk變?yōu)樾∮谂R界水深,常發(fā)生在跌坎和緩坡向陡坡過渡的地方。2.水躍:由急流向緩流過渡產(chǎn)生的水力突變現(xiàn)象。水平矩形斷面明渠水躍:(1)水躍方程:J(h1)=J(h2)(2)共軛水深公式:和(3)水躍長度lj=6.9(h2-h1)例3矩形渠道i=0.0007,b=2m,n=0.0248,當(dāng)h0=1.5m時(shí),求渠內(nèi)流量Q和流態(tài)?[解](這是求渠道過流能力的問題首先計(jì)算明渠斷面幾何參數(shù)。)面積A=bh==3m2濕周:X=b+2h=5m水力半徑:R=A/X=0.6m(代入明渠均勻流公式):Q=2.28m3/s(即該渠道能通過流量)v=Q/A=0.76m/s,Fr=v/√gh=0.198<1.0,故為緩流hk=√q2/g=0.467m<h=1.5m,故為緩流例4:平板閘門局部開啟,Q=20.4m3/s,出閘水深h1=0.62m,b=5m。下游水深ht=2.0m,是否發(fā)生水躍?假如在h1處發(fā)生水躍,求躍后水深h2和水躍形式。解(首先判斷出閘水流的流態(tài))(單寬流量)取α=1.0∵h(yuǎn)1<hk∴是急流32322gqgbQkhαα==]181[22211-+=Frhh]181[21222-+=FrhhmsmbQq?==/08.43mgqhk19.18.908.432===smiRAniRACQ/28.2132132===h1=0.62mh2>ht,所以為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍。(四)明槽恒定非均勻流特征(1)h沿流程改變(2)v沿流程改變;(3)水面線不平行于渠底,Jz≠i(水面線不再是平行于渠底的一條直線。)(五)棱柱體明槽恒定非均勻流水面曲線分析1.基本方程:(dh/ds表示沿流程水深的變化規(guī)律)2.水面曲線分類:壅水曲線(水深沿流程增加)降水曲線(水深沿流程減小)2.底坡分類:<ik緩坡i>0i=ik臨界坡i<ik陡坡i=0平坡i<0逆坡3.兩條水深控制線(1)i>0,存在N-N線(正常水深h。控制線)(2)各種底坡都存在k-k線(臨界水深hk控制線,沿程不變)(3)N-N線與K-K線劃分12個(gè)流區(qū)。5.水面線變化規(guī)律2條水深線把5種底坡上的流動空間劃分為12個(gè)流區(qū),每個(gè)流區(qū)有一條水面曲線,共有12條不同類型的水面曲線,他們的變化規(guī)律總結(jié)如下:(1)每個(gè)流區(qū)只出現(xiàn)一種水面線(2)a、c為壅水曲線,b為降水曲線(3)接近K-K線趨于正交;(發(fā)生跌水或水躍)接近N-N線趨于漸近(除a3、c3線)(4)控制斷面:急流在下游,緩流在上游(5)正坡長渠道無干擾的遠(yuǎn)端趨于均勻流4.水面線連接的規(guī)律mghqhh05.2181221212=???????-+=2221FrKQidsdh--=0?dsdh0?dsdh(1)緩流向急流過渡——產(chǎn)生跌水(2)急流向緩流過渡——產(chǎn)生水躍(3)緩流緩流,只影響上游(4)急流急流,只影響下游6.水面曲線分析實(shí)例:例1:緩坡連接緩坡,后接跌坎(i1>i2)(a1線和N2線后出現(xiàn)并且加粗)圖示緩坡接緩坡,(i1>i2)上游來流為均勻流,下游也趨向于均勻流,從N1線要與N2線連接。根據(jù)水面線連接的原則,緩坡連接緩坡影響上游段,即上游形成a1型壅水曲線。從另一角度分析若在下游坡從N1到N2,則在b1區(qū)發(fā)生壅水曲線,這是不可能的。此例也說明底坡改變將產(chǎn)生非均勻流。例2:陡坡連接緩坡:分析:水深從陡坡h1<hk轉(zhuǎn)入緩坡h2,水面線必為壅水曲線。然而,無論在陡坡b2和緩坡b1區(qū)均不發(fā)生壅水,這就是從急流到緩流必定發(fā)生水躍,水躍的位置有三種情況,需根據(jù)共軛水深條件經(jīng)計(jì)算確定。下面我們介紹恒定非均勻流水面曲線的計(jì)算。(六)恒定非均勻流水面曲線計(jì)算1基本方程分段求和法:(差分方程)差分方程用平均水力坡度代替某點(diǎn)的水力坡度。2計(jì)算步驟(1)定性分析棱柱體渠道水面線(確定壅水或降水,非棱柱體不用分析)(2)確定控制斷面水深(急流向下游,緩流向上游計(jì)算)(3)設(shè)相鄰斷面水深,取△h=0.1~0.3m(把渠道分成若干斷面)第七章泄水建筑物水流問題(一)堰流和閘孔出流圖示堰流和閘孔出口,堰和閘通常是一體的。當(dāng)閘門對水流不控制時(shí),這就是堰流。當(dāng)閘門從上面對水流控制,這就是閘孔出流。1.堰閘出流的區(qū)別:堰流和閘流的判別:平頂堰:≤0.65閘孔出流>0.65堰流曲線堰:≤0.75閘孔出流JikQidsdEs-=-=22JiEEJiEssusds--=-?=?HeHeHeHe>0.75堰流2.堰流:1)堰流基本公式:根據(jù)能量方程可以導(dǎo)出m—流量系數(shù)(與堰型、進(jìn)口尺寸、堰高P,及水頭H有關(guān))ε1—側(cè)收縮系數(shù)(與堰型、邊壁條件、淹沒程度、水頭H,孔寬、孔數(shù)有關(guān))σs—淹沒系數(shù)(與水頭H和下游水深有關(guān))2)三種堰型:薄壁堰:測流實(shí)用堰:WES堰特點(diǎn):H=Hd,md=0.502(H變化,相應(yīng)m也變化)寬頂堰:mmax=0.385,淹沒堰流的水流特性,淹沒條件:>0.8,σs<1(圖)3)計(jì)算任務(wù):(1)確定過流能力Q:(2)確定流量系數(shù)m:(3)確定眼堰頂水頭H0:3.閘孔出流:(閘門形式可以分成平板閘門和弧形閘門,出圖)(1)水流特征:收縮斷面水深EMBEDEquation.3ehc2ε=(2)基本公式02ghbQesμσ=μ—流量系數(shù)=F(閘門形式,閘底坎形式)sσ—淹沒系數(shù),出現(xiàn)遠(yuǎn)離或臨界水躍時(shí),sσ=1。下面舉例說明閘孔出流計(jì)算.例:(矩形渠道修建)單孔平板閘門,b=3m,H=6m,e=1.5m,下游水深ht=3.6m,求:通過的流量。解:(1)不考慮淹沒影響=0.25<0.65(圖縮小放此屏后側(cè))∴閘孔出流(∵寬頂堰上平板閘門)ht=3.6m,是否淹沒還需要判斷23012HgbmQsσε=23012HgbmQsσε=He556.076.160.0=-=HeμsmghbeQ/13.2723==μ2/3012HgbQmSσε=3/210]2[mgbQHSσε=0Hhs(2)判斷淹沒情況:當(dāng)查ε2=0.622(收縮端面水深為)hc=ε2e=0.933m(求對應(yīng)于hc的共軛水深,以判別是否淹沒)∵h(yuǎn)c2>ht∴自由出流。淹沒系數(shù)σs=1我們比較一下堰流和閘孔出流的過流能力.堰流:閘孔出流:在同樣的條件下,水頭H的增加,堰流量要比閘孔通過的流量增加的快得多。所以在水利工程經(jīng)常利用堰及時(shí)排放汛期的洪水。(二)水流銜接水利工程,從溢流壩、泄洪陡槽、閘孔、跌坎等水工建筑物下泄的水流具有流速高、動能大而且集。因此我們必須要采取工程措施,消耗水流多余的能量,使下泄水流與下游河道能平順地銜接。否則如果不采取工程措施,就會造成下游河床嚴(yán)重的沖刷,影響水工建筑物的正常運(yùn)行。水流銜接形式:—淹沒系數(shù),它代表下游水深ht與收縮斷面水深的共軛水深的比值。1)當(dāng)ht<:遠(yuǎn)驅(qū)水躍,σj<1。從圖可知:遠(yuǎn)驅(qū)水躍在渠道出現(xiàn)急流段,對河床沖刷能力強(qiáng),不利于河床和建筑物的安全。2)當(dāng)ht=:臨界水躍,,σj=1,。臨界水躍十分不穩(wěn)定,水流條件微小的改變,會使臨界水躍變?yōu)槠渌问降乃S。3)當(dāng)ht>淹沒水躍,σj>1(三)水流消能根據(jù)上面的分析,我們可以知道,遠(yuǎn)驅(qū)水躍存在急流段對下游最為不利;臨界水躍不穩(wěn)定,容易變?yōu)檫h(yuǎn)驅(qū)水躍。對于淹沒水躍,當(dāng)淹沒系數(shù)大于1.2時(shí),也不利于消能。因此通常需要采取修建消力池等工程措施,形成淹沒系數(shù)為1.05~1.10的淹沒水躍與下游水流銜接。1.常用消能方式((1)底流消能—水躍消能(利用從急流到緩流產(chǎn)生水躍的劇烈翻騰的旋滾,消耗水流多余的能量,適用于低水頭和地質(zhì)條件差的情況,在渠道閘和跌坎的下游廣泛應(yīng)用)(2)挑流消能(在泄水建筑物末端修建跳坎,把下泄水流挑射到遠(yuǎn)離建筑物的地方,水25.0=HesmbcQVc/693.9==mghvhhccc789.3)181(222=-+=230HQ∝210HQ∝"ch"ch"ch"=ctjhhσ"=ctjhhσ流在空跌落擴(kuò)散,落入河道與水流碰撞,產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動混摻,消耗大量能量,多用于高水頭和地質(zhì)條件好的情況)2.底流消能:底流消能一般采用消力池形式。(1)消力池的類型:a)降低護(hù)坦形成消力池b)護(hù)坦末端修建消力坎c)綜合式消力池(2).降低護(hù)坦消力池設(shè)計(jì)1)消力池深d(根據(jù)圖示的幾何關(guān)系,消力池深d等于)a)d=σj-△z-ht其:消能池通常也可以用下式估算池深d:d=σj-ht(2)消力池長度的計(jì)算(由于消力池末端池壁的作用,消力池水躍長度比自由水躍Lj短)Lk=(0.7~0.8)Lj(3)設(shè)計(jì)流量池深設(shè)計(jì)流量(-ht)maxQ池長設(shè)計(jì)流量Qmax(保證水躍不發(fā)生在池外)例1(如圖示水閘)已知:(閘前水深)H=5m,(開度)e=1.25m,(下游水深)ht=2.3m,求:(1)收縮斷面水深hc(2)判別是否要建消力池。(3)粗估消力池深解:(1)計(jì)算hc(閘孔出流)假設(shè)自由出流,令H0=H(單寬流量)∴(說明行進(jìn)流速對計(jì)算過流能力有影響)(查平板閘門垂直收縮系數(shù)表)查得ε2=0.622∴hc=ε2e=0.78m(2)判別水躍形式(求hc對應(yīng)的躍后水深)∵>ht∴所以產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)水躍下游需要建消力池:d=σj-ht"ch)181(232-+="cccghqhh????????"-'=?222)(1)(12cjthhgqzσ?''Cjhdσ="ch556.0176.060.0=-=HeμmsmghebQq?===/88.623μsmHqV/38.13==mgV10.022=mgVHH10.5220=+=smgHeq/95.6230==μ25.0=Hemghqhhccc19.3)181(232=-+=""ch第八~九章滲流和相似理論(一)滲流滲流運(yùn)動是指水在有孔隙的土壤或巖石的流動,如在土壩、井、閘壩的基礎(chǔ)內(nèi)均存在地下水的滲流運(yùn)動(由于自然界土壤組成的復(fù)雜性,地下水在土壤孔隙的流動難以完全了解和表達(dá),因此引入了滲流模型的概念)。1滲流模型(1)概念:忽略全部土壤顆粒的體積(或存在),認(rèn)為地下水的流動是連續(xù)地充滿整個(gè)滲流空間。(2)滲流模型的條件:與實(shí)際滲流保持相同的邊界條件、滲流流量和水頭損失。需要注意的是:土壤實(shí)際滲流的流速是大于在滲流模型計(jì)算得到的滲流流速,在滲流討論的都是模型滲流流速。2.滲流基本定律(1)達(dá)西定律:斷面平均流速:υ=kJ式:J—滲透坡降;k—土壤的滲透系數(shù),表示土壤滲透能力的大小。適用范圍:恒定均勻?qū)恿鳚B流。3.恒定無壓漸變滲流基本公式—杜比公式式:H—測壓管水頭,(或稱為水面高程),J—滲透坡降。(對于漸變滲流,同一過水?dāng)嗝嫔系臐B透坡降可以認(rèn)為是常數(shù),因此同一滲流斷面上各點(diǎn)的流速為定值。)(1)