明渠恒定流的流動(dòng)類型及其判別(ppt 51頁).ppt

1、第七章 明渠恒定流,7-1 明渠均勻流 7-2 明渠恒定流的流動(dòng)類型及其判別 7-3 水跌與水躍,7-1 明渠均勻流,明渠流：水面與大氣接觸的渠槽中的水流運(yùn)動(dòng)稱為明渠水流。,特點(diǎn)：具有自由表面。自由表面上受大氣壓作用，相對壓強(qiáng)為零，又稱為無壓流。,水在渠道、無壓管道以及江河中的流動(dòng)都是明渠流動(dòng)。,7.1.1 基本概念,均勻流與非均勻流,過水?dāng)嗝嫘螤?、尺寸以及過水?dāng)嗝嫔系牧魉俜植佳爻滩蛔兦伊骶€為平行直線的流動(dòng)稱為明渠均勻流動(dòng)，否則為非均勻流動(dòng)。,在明渠非均勻流中，根據(jù)水流過水?dāng)嗝娴拿娣e和流速沿程變化的程度，分為漸變流動(dòng)和急變流動(dòng)。,底坡,渠底與水平面夾角的正弦，或者沿渠底單位距離上渠底高程的降低

2、或升高值稱為底坡，記為i。,明渠的分類,（1）順底坡、平底坡與反底坡,順底坡：渠底沿程降低的底坡，i0；,平底坡：渠底水平的底坡，i0;,反底坡：渠底沿程上升的底坡，i0.,規(guī)則斷面有矩形、梯形、U形和圓形斷面等，其斷面形狀及幾何要素見表7.1.1。非規(guī)則斷面如天然河道的斷面。,（2）規(guī)則斷面和非規(guī)則斷面,（3）棱柱形渠道與非棱柱形渠道,斷面形狀、尺寸和底坡沿程不變的渠道稱為棱柱形渠道，上述三者之一沿程變化的渠道稱為非棱柱形渠道。,明渠均勻流的特點(diǎn),1. 總能線、測壓管水頭線及底坡線三者平行；,2. 作用在水流上的重力在流動(dòng)方向上的分量與明槽壁面上的摩擦力相等；,3渠底高程的降低值等于沿程水頭

3、損失。,均勻流運(yùn)動(dòng)的能源來自渠底高程的降低,平底坡和反底坡渠道中不能產(chǎn)生均勻流。,明渠均勻流產(chǎn)生的條件,1.沿程流量不變的恒定流；,2.棱柱形、正底坡、渠中無建筑物的長渠道中；,3.沿程粗糙系數(shù)n不變。,明渠均勻流的基本公式,謝才公式,曼寧公式,水力最佳斷面,指在流量、底坡、粗糙系數(shù)已知時(shí)，要求設(shè)計(jì)的過水?dāng)嗝婢哂凶钚〉拿娣e；,或者說，在過水?dāng)嗝婷娣e、底坡和粗糙系數(shù)等已知時(shí)，能使渠道通過的流量為最大，這種斷面就是水力最佳斷面。,當(dāng)渠床的粗糙系數(shù)n、底坡i及過水?dāng)嗝娣eA一定時(shí)，濕周愈小流量Q愈大。,梯形斷面的水力最佳斷面,水力最佳斷面的條件：過水?dāng)嗝婷娣eA為常數(shù)和濕周最小。,梯形斷面水力最佳斷面的

4、寬深比,取邊坡系數(shù)m0，得最佳矩形斷面的寬深比,一般只適用于流量或水深較小的渠道。,實(shí)際設(shè)計(jì)除了考慮水力最佳條件以外，還要綜合考慮經(jīng)濟(jì)等其它方面的多種因素。,均勻流的解法,1.直接解法,（1）當(dāng)其他量已知，求流量或底坡或粗糙系數(shù)時(shí)，可直接由均勻流渠道中的流量表達(dá)式求解。,（2）寬矩形斷面渠道求正常水深h0。,（3）當(dāng)已知渠道的寬深比時(shí)，求渠中的正常水深。,對梯形斷面渠道：,2.試算法或圖解法,（1）當(dāng)已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b）時(shí)，由于此時(shí)需要求解關(guān)于h0和b的非線性方程，不能直接求解，只能采用試算法，或者應(yīng)用附圖的圖解曲線求解。,（2）當(dāng)已知寬深比=b/h0或者最佳寬深比m

5、，可以用附圖圖解曲線求解。,3.聯(lián)解,（1）當(dāng)限制渠中流速v和水深h0（或b）求底坡i和底寬b（或h0）時(shí)；,（2）當(dāng)限制渠中流速v和底坡i求水深h0和底寬b時(shí)。,7.1.3 渠道設(shè)計(jì)中的若干問題,1.渠道設(shè)計(jì)中的典型問題,（1）已知底坡、過水?dāng)嗝鎱?shù)（包括形狀、尺寸）及渠底材料等，求該渠道可能通過的流量大小；,（2）已知底坡、渠床材料及要求通過的流量，求應(yīng)有的過水?dāng)嗝鎱?shù)；,（3）已知要求通過的流量、過水?dāng)嗝鎱?shù)及渠底材料，要求確定底坡。,2.邊坡系數(shù)與底坡的確定,渠道的邊坡系數(shù)由渠床土壤的性質(zhì)確定。,水力學(xué)角度認(rèn)為底坡應(yīng)該盡量小，這樣沿程水頭損失小。,施工角度要求底坡盡量與地形坡度一致，這

6、樣易于使挖方與填方平衡，降低施工造價(jià)。,一般而言山區(qū)渠道和排水渠道的底坡陡些，而平原渠道和灌溉渠道的底坡緩些。一般土渠的底坡變化范圍大約為i0.00010.001。,3.不沖不淤流速允許流速,渠道中的設(shè)計(jì)流速為v，不淤允許流速為v，不沖允許流速v為，則要求設(shè)計(jì)流速應(yīng)該滿足,不淤允許流速,查表7.1.4,由表中查得的流速需乘以系數(shù)k,不沖允許流速v,4.綜合粗糙系數(shù),渠道斷面由三種護(hù)面組成：混凝土，光滑巖面和粗糙巖面。設(shè)它們的粗糙系數(shù)和濕周分別為n1，1；n2，2；n3，3，則整個(gè)斷面的綜合粗糙系數(shù)按下面計(jì)算,5.復(fù)式斷面,由折線邊坡組成的過水?dāng)嗝娣Q為復(fù)式斷面，由主河槽與灘地組成。,特點(diǎn)：主河槽

7、的水力半徑大、粗糙系數(shù)小，而灘地的水力半徑小，粗糙系數(shù)大。,7.1.4 圓形斷面內(nèi)的無壓均勻流,圓管中的流動(dòng)具有自由表面，表面壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)時(shí)，當(dāng)管路為坡度沿程不變的直線管路時(shí)，管路內(nèi)的流動(dòng)就是無壓均勻流。,過水?dāng)嗝婷娣e,濕周,水力半徑,水面寬度,管中最大流量和最大流速并不發(fā)生在滿管時(shí)。,例7.1.1 有一漿砌石護(hù)面的梯形斷面渠道,邊坡系數(shù)m=1.5,粗糙系數(shù)n=0.025,底坡i=0.0004,底寬b=5m,渠中通過的流量Q=8m3/s,該渠道的不沖允許流速v=3m/s,試求: （1）渠道中的正常水深h0; （2）該渠道是否滿足不沖不淤條件。,（1）正常水深h0的計(jì)算,a.試算法,b.圖解法

8、,利用附圖I進(jìn)行圖解。,然后由橫坐標(biāo)軸7.35處向上作垂線交m=1.5直線上于一點(diǎn),再由此點(diǎn)向左引水平線與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)即為所求。,(2)不沖不淤檢查,該渠道滿足不沖不淤條件。,例7.1.2 欲修一混凝土護(hù)面的梯形斷面渠道,已知底坡i=0.001,邊坡系數(shù)m=1.5,粗糙系數(shù)n=0.017,要求渠道中通過的流量Q=5m3/s,試按水力最佳斷面設(shè)計(jì)此渠道的斷面尺寸。,(1)正常求解,(2)用附圖I求解,例7.1.3 有一圓形混凝土污水管，已知底坡i0.005，粗糙系數(shù)n=0.014，充滿度=0.75時(shí)流量Q=0.25m3/s，試求：該管的管徑d。,7-2 明渠恒定流的流動(dòng)類型及其判別,明渠均勻流產(chǎn)

9、生的條件,1.沿程流量不變的恒定流；,2.棱柱形、正底坡、渠中無建筑物的長渠道中；,3.沿程粗糙系數(shù)n不變。,非均勻流產(chǎn)生的原因,（1）渠道的斷面形狀、尺寸、粗糙系數(shù)及底坡i沿程有變化；,（2）渠道較短或者渠中有水工建筑物存在。,明渠非均勻流的特點(diǎn),（1）水深h和斷面平均流速v沿程變化；,（2）流線間互相不平行；,（3）水力坡度線、測壓管水頭線和底坡線彼此間不平行。,研究非均勻流的主要任務(wù),（1）定性分析水面曲線；,（2）定量計(jì)算水面曲線。,明渠恒定流的三種流動(dòng)類型,緩流,急流,臨界流,緩流的特點(diǎn)：緩流中水深較大，流速較小，干擾波既能向上游傳播也能向下游傳播。,急流的特點(diǎn)：急流中水深較淺，流速

10、較大，急流渠道中干擾波只能向下游傳播。,波速c的計(jì)算公式,假設(shè)一平底坡棱柱形渠道，渠內(nèi)靜水深為h，水面寬為B，過流斷面面積為A，如用直立薄板向左撥動(dòng)一下，使水面產(chǎn)生一個(gè)波高為h的微波，以速度c傳播。,流動(dòng)類型的判別,波速法,弗勞德（W.Froude）數(shù)法,斷面比能法,水深法,底坡法,1.波速法,波速法是通過渠中的斷面平均速度v與干擾波在靜水中的傳播速度c對比來確定流動(dòng)類型。,一般斷面渠道靜水中波速c為,2.弗勞德（W.Froude）數(shù)法,通過渠中的斷面平均速度v與干擾波在靜水中的傳播速度c之比來確定流動(dòng)類型。,弗勞德數(shù),流動(dòng)類型的判別,3. 斷面比能法,單位重量水體相對于過水?dāng)嗝孀畹忘c(diǎn)處的水平

11、面的總能量定義為斷面比能，也稱為斷面單位能量，記為Es。,斷面比能函數(shù)的特點(diǎn),當(dāng)流量、斷面形狀及尺寸一定時(shí)，斷面比能Es只是水深h的函數(shù),當(dāng)h0時(shí)A0，于是Es，即斷面比能函數(shù)曲線與水平軸漸近相切；,當(dāng)h時(shí)A，于是Esh，即斷面比能曲線與過坐標(biāo)原點(diǎn)的45線漸近相切。,斷面比能函數(shù)曲線,臨界水深,4.水深法,臨界水深時(shí)對應(yīng)的斷面比能最小,臨界方程,臨界方程的求解,（1）對于一般斷面形狀的渠道可以通過試算法求得臨界水深。,（2）矩形、梯形及圓形斷面明渠中的臨界水深可以用附圖的圖解曲線求解。,（3）對于矩形斷面,5. 底坡法,在流量、斷面形狀及尺寸一定的棱柱形渠道中，均勻流水深恰巧等于臨界水深時(shí)的渠

12、底坡度定義為臨界坡度，記為icr。,將正常水深h0滿足的均勻流方程和hcr滿足的臨界方程聯(lián)立求解就可以得到臨界坡度。,（1）當(dāng)渠道實(shí)際的坡度小于某一流量下的臨界坡度，即ihcr時(shí)，稱此渠道坡度為緩坡；,（2）當(dāng)i=icr，從而h0=hcr時(shí)，此渠道的坡度稱為臨界坡度；,（3）當(dāng)iicr，從而h0hcr時(shí)，此渠道的坡度稱為陡坡。,注意：渠道底坡的緩陡之稱并不是固定不變的。,當(dāng)流量變化時(shí)相應(yīng)的臨界水深要變化，因而臨界坡度也有變化，該渠道底坡的緩陡之稱也將隨之變化。,例7.2.1 有一漿砌塊石護(hù)面的梯形斷面渠道，邊坡系數(shù)m=1.5，粗糙系數(shù)n=0.025，底坡i= 0.0004，底寬b=5m，當(dāng)渠中通過流量Q = 8m3/s時(shí)渠道中的正常水深h0=1.40m，試用所學(xué)的方法判別該渠道中的流動(dòng)類型