流體力學(xué)第八章

1、第八章,明渠流動(dòng),?,?,?,?,重點(diǎn)內(nèi)容,授課內(nèi)容,思考題,作業(yè),重點(diǎn)內(nèi)容,1.,2.,3.,明渠均勻流水力計(jì)算,水力最優(yōu)斷面的水力計(jì)算,明渠恒定非均勻漸變流水面曲線分析,思考題,?,?,1,、簡(jiǎn)述明渠均勻流的特性和形成條件，從能量觀點(diǎn),分析明渠均勻流為什么只能發(fā)生在正坡長(zhǎng)渠道中？,2,、什么是正常水深？它的大小與哪些因素有關(guān)？當(dāng),其它條件相同時(shí)，糙率,n,、底寬,b,或底坡,i,分別發(fā)生變,化時(shí)，試分析正常水深將如何變化？,3,、什么是水力最優(yōu)斷面？矩形斷面渠道水力最優(yōu)斷,面的底寬,b,和水深,h,是什么關(guān)系？,4,、,什么是允許流速？為什么在明渠均勻流水力計(jì)算,中要進(jìn)行允許流速的校核？,

2、?,?,第八章,明渠流動(dòng),?,第一節(jié),概述,?,第二節(jié),明渠均勻流,?,第三節(jié),明渠流動(dòng)狀態(tài),?,第四節(jié),水躍和水跌,作業(yè),?,P244-8.12,、,8.13,?,P245-8.18,8.1,概述,明渠流動(dòng)：,明渠的底坡,明渠渠底與縱剖面的交,線稱為底線，底線的坡,度稱為,底坡（,i,）,。,是指在河、渠等水道中流動(dòng)，具有自由表面的水流。,自由表面相對(duì)壓強(qiáng)為零，又稱為無壓流。,z,1,?,z,2,i,?,?,sin,?,l,z,1,?,z,2,i,?,?,tan,?,l,x,鉛垂斷面為過水?dāng)嗝妫?鉛垂深度,h,為過水?dāng)嗝娴乃睢?底坡類型：,明渠斷面（以梯形最具有代表性）,：其幾何要素可分為

3、,基本量和導(dǎo)出量。,a,m,?,?,cot,?,h,邊坡系數(shù),m,表示邊坡傾斜程度，其,值大小取決于渠壁巖土的穩(wěn)定性。,基本量：底寬,b,、水深,h,、邊坡系,數(shù),m,導(dǎo)出量：水面寬,B,、過水?dāng)嗝婷?積,A,、濕周、水力半徑,明渠分類：,棱柱形渠道與非棱柱形渠道,棱柱形渠道：,斷面形狀和尺寸沿程不變的長(zhǎng)直明,渠稱為棱柱形渠道。,非棱柱形渠道：,斷面形狀和尺寸沿程不斷變化的,明渠稱為非棱柱形渠道。,棱柱形渠道過水?dāng)嗝婷娣e,A,僅隨水深,h,而變化。,8.2,明渠均勻流,明渠均勻流的水力特征,（,1,）,明渠均勻流斷面平均流速、水深沿程不變；,（,2,）明渠均勻流總水頭線、測(cè)壓管水頭線（水面線）

4、,與渠道底線互相平行；,J,?,J,p,?,i,列（,1,）,-,（,2,）能量方,程得：,Z= hf,i = J,J = J,p,= i,明渠均勻流的形成條件,（,1,）明渠流量沿程不變；,（,2,）順坡（,i,0,）、且底坡沿程不變的棱柱形渠道；,（,3,）壁面粗糙系數(shù),n,沿程不變,;,（,4,）渠道上沒有影響水流的建筑物或障礙物。,明渠均勻流的水力計(jì)算,（,1,）基本公式,：謝才公式,v,?,C,RJ,v,?,C,Ri,K,的單位同流量，稱為流量模數(shù),Q,?,AC,Ri,?,K,i,明渠水流一般屬于紊流阻力平方區(qū)，采用曼寧公式或巴普,洛夫公式計(jì)算謝才系數(shù)。,（,2,）粗糙系數(shù),n,的選

5、定,（,3,）明渠均勻流水力計(jì)算問題,Q,?,AC,Ri,?,f,(,m,b,h,0,n,i,),明渠均勻流水力計(jì)算問題,?,1,、驗(yàn)算渠道的輸水能力,?,對(duì)已成渠道進(jìn)行校核性的水力計(jì)算，特別是驗(yàn)算渠道的輸水能力。,即已知：,確定,Q,：,直接用公式,?,2,、決定渠道坡度,?,已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)計(jì)流量以及斷面的幾何尺寸，即已知,n,，,Q,和,b,，,m,，,h,各量，確定渠道的底坡,i,3,、決定渠道斷面尺寸,?,在設(shè)計(jì)一條新渠道時(shí)，一般已知流量,Q,、渠道底坡,i,、邊坡系數(shù),m,及,粗糙系數(shù),n,，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即確定渠道的底寬,b,和水,深,h,。這時(shí)將有多組解，

6、為得到確定解，需要另外補(bǔ)充條件。,?,(1).,水深,h,已定，求相應(yīng)的底寬,b,(2).,底寬,b,已定，求相應(yīng)的水深,h,?,(3).,寬深比,已定，求相應(yīng)的,b,和,h,?,小型渠道，按水力最優(yōu)設(shè)計(jì)；,?,大型土渠，考慮經(jīng)濟(jì)條件；,?,通航渠道，則按特殊要求設(shè)計(jì)。,(4).,從最大允許流速出發(fā)，求相應(yīng)的,b,和,h,兩式聯(lián)立求解,b,h,水力最優(yōu)斷面,水力最優(yōu)斷面：是指當(dāng)渠道底坡、糙率及面積大小一定時(shí)，通過最大流量時(shí),的斷面形式。,Q,?,AC,Ri,?,f,(,m,b,h,0,n,i,),A,2,3,1,2,i,A,Q,?,R,i,?,2,n,n,?,3,3,5,當(dāng),i,、,n,及,A

7、,大小一定時(shí)，使渠道所通過的流量最大的那種斷面,形狀稱為水力最優(yōu)斷面,.,當(dāng),i,、,n,及,A,給定時(shí)，濕周,X,最小，水力半徑,R,最大的斷面能通過,最大的流量。,梯形過水?dāng)嗝媲赖乃ψ顑?yōu)斷面,A,?,(,b,?,mh,),h,A,2,?,?,b,?,2,h,1,?,m,?,?,mh,?,2,h,1,?,m,?,?,(,h,),h,2,對(duì)水力最優(yōu),斷面，有,d,?,A,?,?,2,?,m,?,2,1,?,m,2,?,0,dh,h,d,2,?,A,?,2,?,0,2,3,dh,h,這表明,X,存在最小值。將,代入一階導(dǎo)公式中,，得,A,?,(,b,?,mh,),h,b,2,?,?,2,m,

8、?,2,1,?,m,?,0,h,梯形水力最優(yōu)斷面的寬深比,0,值為,b,?,0,?,(,),0,?,2,(,1,?,m,2,?,m,),?,f,(,m,),h,?,當(dāng)為矩形斷面時(shí)，,m,?,0,，其水力最佳斷面寬深比為,?,0,?,2,b,?,2,h,?,梯形斷面的水力半徑,A,(,b,?,mh,),h,R,?,?,?,?,?,b,?,2,h,1,?,m,2,2,2,2,b,?,2,(,1,?,m,?,m,),h,2,(,2,1,?,m,?,m,),h,(,2,1,?,m,?,m,),2,h,h,?,2,結(jié)論：,1,）梯形水力最優(yōu)斷面的寬深比,僅是邊坡系數(shù),m,的函數(shù)。,2,）在任何邊坡系數(shù)的

9、情況下，水力最優(yōu)梯形斷面的水力半徑,R,為水深,h,的一半。,渠道的允許流速,?,由連續(xù)方程可知，對(duì)于一定的流量，過水?dāng)嗝婷娣e的大小與斷面,平均流速有關(guān)。為通過一定的流量，可采用不同大小的過水?dāng)嗝妫?此時(shí)，渠道中就有不同的流速。如果流速過大，可能引起渠槽沖,刷，而流速過小，又可能引起渠槽淤積，降低了渠道的過流能力。,因此，在設(shè)計(jì)渠道時(shí)，必須考慮渠道的允許流速。,?,渠道的允許流速是根據(jù)渠道所擔(dān)負(fù)的生產(chǎn)任務(wù),(,如通航、水電站引,水或灌溉,),，渠槽表面材料的性質(zhì)，水流含沙量的多少及運(yùn)行管理,上的要求而確定的技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理的流速。,?,為了保證技術(shù)上可靠，經(jīng)濟(jì)上合理，在確定渠道的允許流速

10、時(shí)，,應(yīng)該結(jié)合工程的具體條件，考慮以下幾方面的因素。,（,1,）流速應(yīng)不致引起渠槽沖刷，即流速應(yīng)小于不沖允許流速。,（,2,）流速應(yīng)不使水流中的懸砂淤積，即流速應(yīng)大于不淤允許流速。,（,3,）流速不宜太小，以免渠中雜草滋生。為此，一般應(yīng)大于,0.5m/s,。,（,4,）對(duì)于北方寒冷地區(qū)，為防止冬季渠水結(jié)冰，流速也不宜太小。,一般當(dāng)渠道流速大于,0.6m/s,時(shí)，結(jié)冰就比較困難，即使結(jié)冰，過,程也比較緩慢。,（,5,）渠道流速應(yīng)保證技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求和運(yùn)行管理要求。,8.3,無壓圓管均勻流,圓形無壓管：,是指圓管中不滿流的管道，如排水,管道。,無壓圓管均勻流：,長(zhǎng)直的無壓管流，當(dāng),i,，,n,，,d,

11、均,保持沿程不變時(shí)，管中,水流可認(rèn)為是明渠均勻,流。,一、無壓圓管均勻流的水力特征,無壓圓管均勻流的水力坡度,J,、測(cè)壓管水力坡度就,J,p,、,底坡,i,彼此相等，即,J=J,p,=i,。,Q,?,AC,Ri,二、過流斷面的幾何要素,基本量：,d,直徑；,h,水深；,充滿度,=,h/d,充滿角，水深,h,對(duì)應(yīng)的圓心角,導(dǎo)出量,A,過流斷面面積；,濕周；,R,水力半徑,8.4,明渠流動(dòng)狀態(tài),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(zhǎng)直渠道,中,(,渠道邊界不發(fā)生變化）,明渠非均勻流（實(shí)際情況）,:,當(dāng)在渠道中

12、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(dòng)。,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,棱柱形渠道中漸變流水面曲線分析,漸變流水面線分析的主要任務(wù)：,根據(jù)渠道的水深條件、來流的流量和控制斷面條件來確,定水面線的沿程變化趨勢(shì)和變化范圍，定性地繪制水面曲線。,棱柱形渠道漸變流基本微分方程,取兩過水?dāng)嗝妫心芰糠匠蹋?(,z,?,h,),?,?,v,2,2,g,?,(,z,?,dz,?,h,?,dh,),?,?,(,v,?,dv,),2,g,2,?,dh,w,dh,dh,?,ds,ds,i,?,?

13、,J,J,?,J,J,i,i,?,?,?,2,2,2,?,Q,Q,B,B,1,1,?,Fr,?,?,Fr,1,?,3,3,gA,gA,順坡渠道（,i0,）,8,種水面線,緩坡渠道（,ii,k,）,急坡渠道（,ii,k,）,3,種水面線,3,種水面線,臨界坡渠道（,i=i,k,）,2,種水面線,平坡渠道（,i0,）,逆坡渠道（,i0,）,2,種水面線,2,種水面線,i,?,i,k,在緩坡渠道上修建溢流壩，抬高水位使壩前水深超過相應(yīng)流,量的正常水深時(shí)，壩上游將出現(xiàn),a1,型壅水曲線。,在緩坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深時(shí)，上游將,出現(xiàn),b1,型降水曲線。,在緩坡渠道上閘門開啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，,形成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增加，即形,成,c1,型壅水曲線。,i,?,i,k,在急坡渠道上修建溢流壩，壩上游將出現(xiàn),a2,型壅水曲線。,水流從緩坡渠道流入急流渠道時(shí)，緩坡渠道上將形成,b1,型降水,曲線，而急坡渠道上上將形成,b2,型降水曲線，而在變坡處通過,臨界水深，形成跌水。,在急坡渠道上閘門開啟時(shí)，閘后收縮斷面水深小于臨界水深，形,成急流，阻力大于重力分力，流體減速，水深增