「水面曲線教程-明渠水流水力計算【教學課件】」.ppt

第六章明渠水流水力計算 6 1概述6 2明渠恒定均勻流6 3明渠恒定漸變流6 4明渠恒定急變流6 5明渠恒定漸變流水面曲線的定性分析6 6明渠恒定漸變流水面曲線的計算 目錄 1 教學類 6 1概述 有壓管流 具有封閉的濕周 壓力是流動的主要動力 明渠流 具有自由水面 即水面壓強為大氣壓 重力是流動的主要動力 明渠水面線即測壓管水頭線 第六章明渠水流水力計算 2 教學類 1 明渠分類 1 明渠形體 棱柱體渠 Prismaticchannel A A h 多為人工渠道 非棱柱體渠 Non prismaticchannel A A h s 第六章明渠水流水力計算 6 1概述 3 教學類 2 明渠斷面形式 第六章明渠水流水力計算 6 1概述 4 教學類 3 明渠的幾何參數(shù) 一般明渠 過水斷面面積A 垂直于流向的橫斷面 Sectionarea 水面寬 Widthofwatersurface B水深 Depth h 底坡 Bottomslope i 明渠縱斷面上渠底線的坡度因 很小 通?？扇?6 1概述 第六章明渠水流水力計算 5 教學類 梯形斷面明渠 是最常見的人工渠道 其基本幾何參數(shù)為水深h 底寬b和邊坡系數(shù)m 邊坡系數(shù) 由土壤的力學性質決定 過水斷面面積水面寬濕周水力半徑 當m 0 為矩形斷面 第六章明渠水流水力計算 6 1概述 6 教學類 4 明渠按底坡分類 正坡 Fallingslope i 0 底坡高程沿程下降 z1 z2 平坡 Horizontalslope i 0 底坡高程沿程不變z1 z2 反坡 Adverseslope i 0 底坡高程沿程抬高 z1 z2 6 1概述 第六章明渠水流水力計算 7 教學類 6 2明渠恒定均勻流 均勻流是一種勻速直線運動 均勻流質點的運動參數(shù)沿程不變 明渠均勻流是一種最簡單的明渠流 但其理論是渠道設計的依據 也是進行非均勻流分析計算的基礎 第六章明渠水流水力計算 8 教學類 1 明渠均勻流的特征及形成條件 1 明渠均勻流的特征 V const h h0 Normaldepth u u h 等參數(shù)沿程不變 流線為平行直線 過水斷面為平面 i Jp J Gsin FD 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 9 教學類 2 均勻流的形成條件 恒定流Q const 棱柱體渠道 正坡i 0 足夠長 n沿程不變 v不能太大 不摻氣v 7 8m s 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 10 教學類 2 明渠均勻流的基本公式 明渠水流一般屬于紊流粗糙區(qū) 阻力平方區(qū) hf v2其基本公式有三個 連續(xù)方程 謝才 Chezy 公式 曼寧 Manning 公式 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 11 教學類 3 水力最優(yōu)斷面和允許流速 1 水力最優(yōu)斷面 給定渠道斷面形狀 尺寸 斷面面積A n i 能通過的Q Qmax 或通過給定流量 A Amin 以梯形斷面為例 當A const 欲使Q Qmax 必須FD Fmin 即 min 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 12 教學類 水力最優(yōu)梯形斷面 最優(yōu)寬深比最優(yōu)斷面面積最優(yōu)濕周最優(yōu)水力半徑 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 13 教學類 梯形斷面的邊坡系數(shù)m 梯形斷面是最常見的一種人工渠道 一般不加襯砌 邊坡的穩(wěn)定性及邊坡系數(shù)m選擇由土壤力學性質決定 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 14 教學類 水力最優(yōu)斷面存在的問題 當給定了邊坡系數(shù)m 水力最優(yōu)斷面的寬深比b h是唯一的 水力最優(yōu)斷面往往為 窄深形 達不到經濟的目的 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 15 教學類 2 實用經濟斷面 認為水力最優(yōu)斷面不是唯一的一個 而是有一個范圍 可從中選擇一個既便于施工 應用 又很經濟的斷面 同時也基本符合最優(yōu)斷面的要求 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 16 教學類 實用經濟斷面存在可能性 給定A 繪出 由圖可見 存在極小值 而 在的極小值附近變化十分緩慢 即當 有微小變化 水深h卻有較大的變化范圍 因而可從中選擇一個合適的寬深比 定義實用經濟斷面 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 17 教學類 3 渠道的允許流速 不沖不淤流速要求 v v v 不沖流速 由土壤的種類 粒徑 密實度等決定 見表7 2 3 不淤流速 由水流挾沙量決定 最小流速要求 南方清水渠道 v 0 5m s北方結冰渠道 v 0 6m s 技術經濟要求 根據渠道所擔負的任務 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 18 教學類 4 明渠均勻流的水力計算 明渠均勻流的水力計算有3種類型 1 驗算已設計好渠道的輸水能力 2 確定渠道的底坡 已知和渠道的斷面形狀 尺寸 注意 定出后 還須驗算是v否滿足不沖 不淤要求 加糙 減糙等 以上兩種方法均可直接用公式 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 19 教學類 3 設計渠道斷面尺寸 這一類型分4種情況 都必須試算 1 已知h0 求b設b計算Q 點繪曲線 內插求b 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 20 教學類 2 已知b 求h0試算方法同 1 設h0計算Q 點繪曲線 內插求h0 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 21 教學類 3 已知求b和h0方法同前 設b 或h0 由計算h0 或b 點繪曲線 內插h0 或b 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 22 教學類 4 求b和h0這是常見的多種選擇的設計任務 任設b b1 bi 計算h0 h01 h0i Q Q1 Qi 從中選擇一組bi和h0i能滿足 渠道所擔負的任務 允許流速 技術經濟要求 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 23 教學類 4 無壓圓管均勻流的水力計算 這里主要介紹城市下水道的水力計算 1 無壓圓管均勻流的水流特征 屬明渠均勻流 J Jp i Q Qmax發(fā)生在滿流之前 即水力最優(yōu)斷面的充滿度 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 24 教學類 1 幾個概念 充滿度充滿角水深過水斷面濕周水力半徑 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 25 教學類 2 當Q QMax V Vmax 最優(yōu)充滿度Q QMax最大流速充滿度V Vmax 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 26 教學類 2 無壓圓管水力計算 校核過流能力 已知d n 和i 求Q 設計底坡 已知Q d n 求i 設計d 已知Q n i和求d這類問題必須試算 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 27 教學類 3 無壓圓管設計規(guī)范 污水管的最大設計充滿度 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 28 教學類 雨水管和合流管按滿流設計 最大流速規(guī)范 金屬管 V 10m s非金屬管 V 5m s 最小流速規(guī)范 d 500mm Vmin 0 7m sd 500mm Vmin 0 8m s 6 2明渠恒定均勻流 第六章明渠水流水力計算 29 教學類 5 濕周上糙率不同的渠道水力計算 介紹幾個綜合糙率公式 假定 總阻力 各部分阻力之和 1 巴普洛夫斯基公式 nmax nmin 2 0 2 別洛康 愛因斯坦公式 nmax nmin 2 0 nmax nmin 2 0 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 30 教學類 6 復式斷面渠道的水力計算 由于斷面各部分流速差異很大 常采用分算法 式中 只計算固體邊界 第六章明渠水流水力計算 6 2明渠恒定均勻流 31 教學類 6 3明渠恒定非均勻流 實際中的人工渠道或天然河道中的水流絕大多數(shù)是非均勻流 1 棱柱體明渠恒定非均勻漸變流的特征 水深h h s 非均勻過水斷面面積A A h s 斷面平均流速V V h s 非均勻流主要指 加速 水面呈降水曲線 減速 水面呈壅水曲線 第六章明渠水流水力計算 32 教學類 2 明渠的三種流態(tài) 1 微波波速C V 0 靜水 微波以同心圓向四周傳播 VC 急流 微波以C V和C V向下游傳播 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 33 教學類 2 明渠流流態(tài)分類 微波波速CVC急流 對于矩形斷面微波波速是判別明渠流態(tài)的重要參數(shù) 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 34 教學類 弗勞德數(shù)FrFr1 急流 Fr 弗勞德數(shù) 的物理意義 慣性力 重力 Fr 動能 勢能 6 3明渠恒定非均勻流 第六章明渠水流水力計算 35 教學類 3 斷面比能 1 斷面比能Es以斷面最低點為基準計算的液體總機械能 總機械能 斷面比能 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 36 教學類 斷面比能Es也可用流量Q表示 斷面比能與總機械能的關系 Es z0 E 6 3明渠恒定非均勻流 第六章明渠水流水力計算 37 教學類 2 比能函數(shù)曲線 當給定流量和渠道斷面形狀 尺寸 則比能函數(shù)繪制比能函數(shù)曲線 并取極值極值點dEs dh 0 Es Esmin對應 Fr2 1 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 38 教學類 極值點Esmin對應的水深稱為臨界水深hk當給定棱柱體渠道和流量 臨界水深hk是唯一的 極值點把比能函數(shù)曲線分成兩支 上支 h hk dEs dh 0 緩流下支 h hk dEs dh 0 急流 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 39 教學類 4 臨界水深的計算 滿足臨界流方程的水深為hk 一般明渠流的臨界水深要通過試算確定 對于矩形斷面渠道 A bhk B b Q qb該式說明 當給定棱柱體渠道和流量 臨界水深hk是唯一的 hk與實際水深無關 與i n無關 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 40 教學類 5 臨界底坡ik 當給定棱柱體渠道和流量 由均勻流公式顯然 h0 f i 若調整底坡 使h0 hk此時的底坡i ik稱為臨界底坡 顯然 臨界底坡必須滿足兩個方程 6 3明渠恒定非均勻流 第六章明渠水流水力計算 41 教學類 對于寬矩形斷面明渠 則有 斷面形狀 尺寸 糙率 該式表明 臨界底坡ik與渠道斷面形狀 尺寸 糙率n及流量Q有關 但與實際底坡i無關 6 3明渠恒定非均勻流 第六章明渠水流水力計算 42 教學類 當給定棱柱體渠道 ik f Q 當i ik h0hk 為緩坡 若發(fā)生均勻流 緩流 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 43 教學類 6 明渠流態(tài)判別 小結 緩流臨界流急流 VC Fr1 h hkh hkhiki iki ik必須注意 Fr Re 緩流 層流 第六章明渠水流水力計算 6 3明渠恒定非均勻流 44 教學類 6 4明渠恒定急變流 明渠急變流是工程中十分常見的水流現(xiàn)象 典型的例子有 堰 閘和彎道水流以及水躍 水跌等 水躍 水流由急流 hhk 的局部水流現(xiàn)象 水跌 水流由緩流 h hk 過渡到急流 h hk 的局部水流現(xiàn)象 本節(jié)重點介紹水躍的水力計算 第六章明渠水流水力計算 45 教學類 1 水躍的特點 水躍是典型的明渠急變流 1 水躍組成 表面旋滾 擴散主流躍前水深h hk 稱為共軛水深 水流經水躍區(qū)由急流變成緩流 2 水躍消能 表面旋滾區(qū)和擴散主流區(qū)之間存在劇烈的質量 動量和能量交換 有很強的消能特性 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 46 教學類 2 水躍基本方程 僅討論平坡 i 0 棱柱體渠道中的水躍 假定 忽略邊壁阻力 躍前 躍后斷面均為漸變流斷面 動量修正系數(shù)建立動量方程 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 47 教學類 根據平底棱柱體渠道水躍方程顯然 等式兩邊都是水深的函數(shù) 稱為水躍函數(shù) 即躍前 躍后斷面的水躍函數(shù)值相等 故h 和h 為共軛水深 第六章明渠水流水力計算 6 4明渠恒定急變流 48 教學類 3 水躍函數(shù)曲線 當給定棱柱體渠道和流量當h 0 A 0 J 當h A J 顯然存在極小值 當有J Jmin 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 49 教學類 極值點把水躍函數(shù)曲線分成2支 上支 代表躍后斷面 h 水躍函數(shù) 緩流 下支 代表躍前斷面 h 水躍函數(shù) 急流 若將J h 與Es h 點繪于同一圖上 可得到水躍消能率Es h Es h 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 50 教學類 4 共軛水深的計算 對于矩形平底棱柱形渠道 得共軛水深計算公式 第六章明渠水流水力計算 6 4明渠恒定急變流 51 教學類 用弗勞德數(shù)Fr表示的共軛水深計算公式 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 52 教學類 5 水躍尺寸 1 躍高2 躍長lj一般說來 躍后斷面并不是漸變流斷面 旋滾后2 3倍旋滾長ly的一段水流仍有一定的消能能力 故定義水躍長度 lj ly l0 f h h Fr1 第六章明渠水流水力計算 6 4明渠恒定急變流 53 教學類 躍長經驗公式 僅作估算用 美國墾務局公式lj 6 1h Fr1 4 5 10 Elevatorski公式lj 6 9 h h 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 54 教學類 水躍的消能效果與來流的佛汝德數(shù)Fr1有關 Fr1 9時消能率可達70 Fr1 9時消能率更大 不過這時下游波浪較大 比較理想的范圍是Fr1 4 5 9 水躍的消能功率為 Nj Q Ej 6 水躍消能率 第六章明渠水流水力計算 6 4明渠恒定急變流 55 教學類 7 水跌現(xiàn)象 水流由緩流過渡到急流稱為水跌 由于急變流的水面變化規(guī)律與漸變流不同 水流流線很彎曲 實際上跌坎斷面的水深hD約為0 7hK 而水深等于hK的斷面約在跌坎斷面上游 3 4 hK處 6 4明渠恒定急變流 第六章明渠水流水力計算 56 教學類 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 斷面比能 一般說來明渠 6 有 第六章明渠水流水力計算 57 教學類 1 明渠漸變流水面曲線基本微分方程 根據水深沿程變化公式推得式中對于均勻流 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 58 教學類 推得 N為正實數(shù) M為正實數(shù) 第六章明渠水流水力計算 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 59 教學類 2 明渠漸變流水面曲線分析 幾個概念 N N線 以正常水深h0繪出的均勻流水面線 K K線 以臨界水深hk繪出的水面線 明渠底坡分類 正坡 i 0 能發(fā)生均勻流平坡 i 0 不能發(fā)生均勻流反坡 i 0 不能發(fā)生均勻流 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 60 教學類 各種底坡上的水流分區(qū) 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 61 教學類 1 緩坡 Mildslope 上的水面曲線 0hk緩坡 1 h h0 hk M1區(qū)是一條M1型壅水曲線 2 h0 h hk M1區(qū)是一條M2型降水曲線 3 h h0 hk M3區(qū)是一條M3型壅水曲線 第六章明渠水流水力計算 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 62 教學類 2 陡坡上的水面曲線 i ik hk h0 陡坡 1 h hk h0 S1區(qū)是一條S1型的壅水曲線 2 hk h h0 S2區(qū)是一條S2型的降水曲線 3 hk h0 h S3區(qū)是一條S3型的壅水曲線 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 63 教學類 3 臨界坡上的水面曲線 i ik h0 hk 臨界坡 1 h h0 hk C1區(qū)是一條C1型壅水曲線 2 h h0 hk C3區(qū)是一條C3型壅水曲線 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 64 教學類 4 平坡上的水面曲線 i 0 平坡不能發(fā)生均勻流 只有K K線 1 h hk H2區(qū) 緩流 Fr1 是一條H3型壅水曲線 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 65 教學類 5 反坡上的水面曲線 ihk A2區(qū) 緩流 Fr 1 是一條A2型降水曲線 2 h hk A3區(qū) 急流 Fr 1 是一條A3型壅水曲線 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 66 教學類 明渠漸變流共12條水面曲線 實際水深可被控制在任何一個流區(qū) 每一流區(qū)的水面線型式都是唯一的 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 67 教學類 3 水面曲線分析的一般原則 1 位于1區(qū)和3區(qū)的所有水面線 都是壅水曲線 1區(qū)是緩流 3區(qū)是急流 2 位于2區(qū)的所有水面線 都是降水曲線 只有陡坡 i ik 上的2區(qū) S2 是急流 其余底坡的2區(qū)都是緩流 3 與N N相鄰的水面線 都與N N線漸近 4 與K K相鄰的水面線 都趨向與K K線正交 5 在i 0的三種底坡上 可發(fā)生均勻流 也可發(fā)生非均勻流 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 第六章明渠水流水力計算 68 教學類 5 在i 0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)生在臨界坡上的均勻流 必為臨界均勻流 非均勻流的緩流和急流 都能發(fā)生在任何底坡上 6 在i 0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 第六章明渠水流水力計算 6 5明渠恒定漸變流水面曲線分析 69 教學類 6 6變底坡明渠的水面曲線聯(lián)接 本節(jié)討論因渠道底坡改變形成的非均勻流水面曲線的定性繪制 1 繪水面線的步驟 1 在底坡改變處畫一條鉛直線 2 分別畫出鉛直線上 下游渠道的線和線 3 找出控制水深 4 定性判斷水面線的趨勢 5 根據水面線唯一性原則 畫出水面線 并標注名稱 第六章明渠水流水力計算 70 教學類 2 沒有水躍的變坡渠道的水面聯(lián)接 1 從緩流到急流2 從緩流到緩流3 從急流流到急流 6 6變底坡明渠的水面曲線聯(lián)接 第六章明渠水流水力計算 71 教學類 3 發(fā)生水躍的變坡渠道水面連接 當水流由急流變成緩流必發(fā)生水躍 水躍可發(fā)生在任何底坡上 設上游控制水深t1 急流 下游控制水深t2 緩流 1 遠趨水躍 h t1 令h t1 計算若h t2 則發(fā)生遠趨水躍 在緩坡上 則令h t2 反推h t1 t1 h 之間為一段壅水曲線 第六章明渠水流水力計算 6 6變底坡明渠的