第6章明渠流动PPT优秀课件.ppt

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1、第第6章章 明渠流动（明渠流动（Open Channel Flows）明渠流又称无压流。明渠流又称无压流。6.1 明渠流动概述明渠流动概述 6.1.1 明渠流动的特点明渠流动的特点 （1）明渠流动具有自由液面，沿程各过流断面的表面压）明渠流动具有自由液面，沿程各过流断面的表面压强均为大气压，重力对流动起主导作用。强均为大气压，重力对流动起主导作用。（2）明渠渠底坡度的改变对流动有直接影响。）明渠渠底坡度的改变对流动有直接影响。（3）局部边界的变化将在很大范围内影响流动。）局部边界的变化将在很大范围内影响流动。6.1.2 底坡底坡 明渠渠底与纵剖面的交线称为底线。底线沿流程单位长度明渠渠底与纵剖

2、面的交线称为底线。底线沿流程单位长度的降低值称为渠道的纵坡或底坡（的降低值称为渠道的纵坡或底坡（slope），以符号），以符号 i 表示。表示。通常渠道底线与水平线夹角通常渠道底线与水平线夹角很小很小，为便于量测与计算，以，为便于量测与计算，以12llxzb1zb2sin2b1blzzi水平距离水平距离 lx 代流程长度代流程长度 l，以铅垂断面代替过流断面，即，以铅垂断面代替过流断面，即12zb1zb2tanx2b1blzzi底坡共分为三种类型：底坡共分为三种类型：底线沿程降低，底线沿程降低，i 0，称为正底坡或顺坡（，称为正底坡或顺坡（slope）；）；底线沿程不变，底线沿程不变，i=0，

3、称为平坡（，称为平坡（horizontal bed）；）；底线沿程升高，底线沿程升高，i 0，称为反底坡或逆坡（，称为反底坡或逆坡（adverse slope）。）。i 0i=0i 06.1.3 棱柱形渠道与非棱柱形渠道棱柱形渠道与非棱柱形渠道断面形状与尺寸沿程不变的渠道称为棱柱形渠道；否则为断面形状与尺寸沿程不变的渠道称为棱柱形渠道；否则为非棱柱形渠道。非棱柱形渠道。棱柱形渠道的过水断面面积只随水深而变化，即棱柱形渠道的过水断面面积只随水深而变化，即A=f(h)；而非棱柱形渠道的过水断面面积既随水深而变化，又随断面位而非棱柱形渠道的过水断面面积既随水深而变化，又随断面位置而变，即置而变，即

4、A=f(h，s)。6.2 明渠均匀流明渠均匀流 明渠均匀流是指流线为平行直线的明渠水流。明渠均匀流是指流线为平行直线的明渠水流。7.2.1 明渠均匀流形成的条件及特征明渠均匀流形成的条件及特征 设一明渠均匀流，列设一明渠均匀流，列1-2 断面伯努利方程断面伯努利方程式中式中h1表示重力势能全部用来克服水头损失表示重力势能全部用来克服水头损失。12zh2lhggphggpzh222222221111vv021hhh021 pp21vv 21fhhl于是有于是有fhz lx上式除以流程上式除以流程 lx，得，得xfxlhlz或或Ji 表明，明渠均匀流只能产生在流动边界不变的顺坡渠道中。表明，明渠均

5、匀流只能产生在流动边界不变的顺坡渠道中。由于明渠均匀流是等深流动，水面线即测压管水头线与渠由于明渠均匀流是等深流动，水面线即测压管水头线与渠底线平行，二者坡度相等，即底线平行，二者坡度相等，即 明渠均匀流又是等速流，各断面流速水头相等，水面线明渠均匀流又是等速流，各断面流速水头相等，水面线6.2.2 过水断面的几何要素过水断面的几何要素iJ pJJ p于是有明渠均匀流特征为：于是有明渠均匀流特征为：以梯形断面为例：以梯形断面为例：基本量：基本量：m 边坡系数，表示边坡的倾斜程度，边坡系数，表示边坡的倾斜程度，m=a/h=cot。即测压管水头线与总水头线平行，二者坡度相等，即即测压管水头线与总水

6、头线平行，二者坡度相等，即JJipb 底宽；底宽；h 水深，均匀流以水深，均匀流以 hN 表示；表示；bBha导出量：导出量：B 水面宽水面宽A 过流断面面积过流断面面积6.2.3 明渠均匀流的基本公式明渠均匀流的基本公式mhbB2212mhbPR 水力半径水力半径谢才公式谢才公式根据明渠均匀流的特征，即水力坡度等于底坡，谢才公式可为根据明渠均匀流的特征，即水力坡度等于底坡，谢才公式可为其中其中 K 称为流量模数。称为流量模数。P湿周湿周AR 或或hmhbARJCvRiCviKRiACAQv6.2.4 明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算 明渠均匀流的水力计算也可分为三类问题：明渠均匀流的

7、水力计算也可分为三类问题：第一类问题是验算渠道的输水能力。鉴于渠道已建成，第一类问题是验算渠道的输水能力。鉴于渠道已建成，断面形状与尺寸、壁面材料以及底坡均为已知，只需算出断面形状与尺寸、壁面材料以及底坡均为已知，只需算出K值，代入基本公式即可求得流量值，代入基本公式即可求得流量第二类问题是确定渠道底坡。根据所要求的流量以及渠第二类问题是确定渠道底坡。根据所要求的流量以及渠道的具体情况（断面形状与尺寸及壁面材料等），算出道的具体情况（断面形状与尺寸及壁面材料等），算出 K 值，值，代入基本公式即可求得底坡代入基本公式即可求得底坡情况情况 i，材料情况，材料情况 m 与与 n，设计渠道的底宽，设

8、计渠道的底宽 b 与水深与水深 h。第三类问题是设计渠道断面。根据所要求流量第三类问题是设计渠道断面。根据所要求流量 Q，地势，地势iKQ 22KQi 由于所求未知量为两个，而基本方程只有一个，因此需要由于所求未知量为两个，而基本方程只有一个，因此需要补充求解条件。补充求解条件。（1）给定水深）给定水深 h，求解相应的底宽，求解相应的底宽 b。（2）给定底宽）给定底宽 b，求解相应的水深，求解相应的水深 h。（3）补充宽深比）补充宽深比=b/h，与基本方程联立求解，与基本方程联立求解 b 与与 h。大型渠道的宽深比由综合经济技术比较给出。大型渠道的宽深比由综合经济技术比较给出。小型渠道按水力最

9、优条件给出，即小型渠道按水力最优条件给出，即（4）限定允许流速，联立求解限定允许流速，联立求解b 与与 h。建立方程组建立方程组mmhb2hh12maxvQA 联立求解联立求解b 与与 h。2321maxinRvRAP 由由hmhbA212mhbP6.2.5 水力最优断面与设计流速水力最优断面与设计流速 （1）水力最优断面）水力最优断面 将曼宁公式代入明渠均匀流基本公式将曼宁公式代入明渠均匀流基本公式上式说明了明渠均匀流输水能力的影响因素。其中底坡上式说明了明渠均匀流输水能力的影响因素。其中底坡 i213235213211iPAniARnRiACQ取决于地形，粗糙系数取决于地形，粗糙系数 n

10、取决于壁面材料。因此，输水能力取决于壁面材料。因此，输水能力 Q只决定于过流断面的大小和形状。当只决定于过流断面的大小和形状。当 i、n 和和 A 一定，使所通过一定，使所通过的流量的流量 Q 最大的断面形状，或者使水力半径最大的断面形状，或者使水力半径 R 最大，即湿周最大，即湿周P最小的断面形状定义为水力最优断面。最小的断面形状定义为水力最优断面。通常，梯形渠道的边坡系数通常，梯形渠道的边坡系数 m 取决于土质情况，渠道断面取决于土质情况，渠道断面的形状则只由其宽深比的形状则只由其宽深比 b/h 决定。决定。将梯形断面渠道过流断面面积表达式代入湿周表达式将梯形断面渠道过流断面面积表达式代入

11、湿周表达式hmhbA212mhbP水力最优断面指面积水力最优断面指面积 A 一定时，湿周一定时，湿周最小的断面。对上式最小的断面。对上式求极值得湿周最小时的宽深比，即水力最优断面宽深比求极值得湿周最小时的宽深比，即水力最优断面宽深比将水力最优条件代入梯形断面水力半径表达式，得将水力最优条件代入梯形断面水力半径表达式，得上式中若边坡系数上式中若边坡系数 m=0，得矩形断面水力最优宽深比，得矩形断面水力最优宽深比mmhb2hh12212mhmhhAP2h或或hb22hhR得得（2）渠道的设计流速）渠道的设计流速minmaxvvvvmax 渠道不被冲刷最大设计流速；渠道不被冲刷最大设计流速；vmin

12、 渠道不被淤积最小设计流速。渠道不被淤积最小设计流速。6.3 无压圆管均匀流无压圆管均匀流 无压圆管均匀流指圆形断面管道中具有自由液面的流线为无压圆管均匀流指圆形断面管道中具有自由液面的流线为平行直线的非满管水流。平行直线的非满管水流。（1）特征与水力计算）特征与水力计算 与梯形断面相同，即与梯形断面相同，即RiACQ（2）过水断面的几何要素）过水断面的几何要素基本量基本量D 直径直径h 水深水深 充满度，充满度，4sin2JJip充满角，充满角，Dh Dh/P湿周湿周（3）无压圆管的水力计算）无压圆管的水力计算R水力半径水力半径2DP)(sin82fDA导出量导出量RiACQ A过流断面面积

13、过流断面面积)(sin14fDR1）验算输水能力）验算输水能力2）确定管道底坡）确定管道底坡3）设计管道直径）设计管道直径22KQi)(DfRiACQ（4）输水性能最优充满度）输水性能最优充满度0h308流量最大水力最优流量最大水力最优95.0h流速最大水力最优流速最大水力最优0h5.25781.0hQ0 与与 v0 分别为满管时的流量与流速。分别为满管时的流量与流速。1.01.01.20.20.20.40.40.60.60.80.8Dh0vv0QQ06.4 明渠非均匀流基本概念明渠非均匀流基本概念 明渠水流在流动过程中，由于流速的不同，或水流势能与明渠水流在流动过程中，由于流速的不同，或水流

14、势能与动能的关系，也存在着两种不同的流动状态动能的关系，也存在着两种不同的流动状态急流与缓流。急流与缓流。6.4.1 断面单位能量与临界水深断面单位能量与临界水深 设明渠非均匀渐变流。设明渠非均匀渐变流。若将基准面提高若将基准面提高 z1，使其通，使其通过该断面的最低点，于是单位重过该断面的最低点，于是单位重z1量流体相对于新基准面量流体相对于新基准面01-01的机的机0ggpzE22v0000101ghzEe221v某断面相对于基准面单位重量流体的机械能为某断面相对于基准面单位重量流体的机械能为式中式中 e 称为断面单位能量，称为断面单位能量，h 为该断面的水深。为该断面的水深。0h明渠非均

15、匀流水深是沿程变化的，一定的流量可以以不明渠非均匀流水深是沿程变化的，一定的流量可以以不在在 e-h 坐标系中，当坐标系中，当同的水深通过某一过流断面，就会有不同的断面单位能量。同的水深通过某一过流断面，就会有不同的断面单位能量。对于棱柱型渠道，流量一定时，断面单位能量将随水深对于棱柱型渠道，流量一定时，断面单位能量将随水深的变化而变化，即的变化而变化，即 hfgAQhghe22222v时时222gAQeh时时 heh曲线两端均趋于无穷，曲线必存曲线两端均趋于无穷，曲线必存在极小值在极小值 emin。断面单位能量的。断面单位能量的极小值对应的水深为临界水深。极小值对应的水深为临界水深。ehCe

16、min从曲线中可以看出，断面单位能量最小值将曲线分为两支。从曲线中可以看出，断面单位能量最小值将曲线分为两支。上支表现为断面单位能量随水深的增加而增加，即上支表现为断面单位能量随水深的增加而增加，即水流势能占主导地位，流动为缓流；水流势能占主导地位，流动为缓流；将断面单位能量表达式对水深求将断面单位能量表达式对水深求0ddhe下支则表现为断面单位能量随水深的增加而减小，即下支则表现为断面单位能量随水深的增加而减小，即0ddhe水流动能占主导地位，流动为急流。水流动能占主导地位，流动为急流。01dd1dd3232BgAQhAgAQhe极值，得临界水深。极值，得临界水深。ABdAdhh若以若以AC、BC分别表示以临界水深分别表示以临界水深 hC 计算的过流断面面积和计算的过流断面面积和式中式中 q 为单宽流量。为单宽流量。水面宽度，则得临界水深计算公式水面宽度，则得临界水深计算公式7.4.2 临界底坡临界底坡特别对于矩形断面渠道特别对于矩形断面渠道或或根据明渠均匀流基本公式根据明渠均匀流基本公式谢才公式，在流量一定、断谢才公式，在流量一定、断C3C2BAgQ3C23C2hbbbhgQ323