水力學(xué)第七章(4).ppt

1、第七章 明渠恒定流,7-5 棱柱形渠道中漸變流水面曲線的 定性分析 7-6 明渠漸變流水面曲線的定量計(jì)算,7-5 棱柱形渠道中漸變流水面曲線的定性分析,水面曲線定性分析的理論基礎(chǔ):明渠恒定漸變流的基本微分方程,對(duì)于正底坡渠道i0,對(duì)于平底坡渠道i=0,對(duì)于反底坡渠道i0,dh/ds取不同值時(shí)的幾何意義,dh/ds0時(shí)，水深沿程增加，產(chǎn)生雍水曲線;,dh/ds0時(shí)，水深沿程減少，產(chǎn)生降水曲線;,dh/ds0時(shí)，水深趨于正常水深，即水面線與均勻流水面線漸近相切;,dh/ds+時(shí)，水深突然增大，即渠中產(chǎn)生水躍;,dh/ds-時(shí)，水深突然減小，即渠中產(chǎn)生水跌;,dh/dsi時(shí)，水面線與水平線漸近相切。

2、,正底坡棱柱形渠道,水深沿程變化的影響因素,對(duì)于一定底坡的棱柱形渠道，水深沿程的變化規(guī)律與h0與h之比，臨界水深hcr與h之比有關(guān)。, 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。,N-N線與K-K線以上的區(qū)域?yàn)閍區(qū)；,水面曲線的分區(qū),N-N線與K-K線之間的區(qū)域?yàn)閎區(qū)；,N-N線與K-K線以下的區(qū)域?yàn)閏區(qū)。,不同底坡渠道的分區(qū),正底坡i0,平底坡i=0,反底坡i0,緩坡、陡坡和臨界坡,能發(fā)生均勻流,不能發(fā)生均勻流,不能發(fā)生均勻流,既有N-N線也有K-K線，除臨界坡外均有三個(gè)分區(qū),沒有N-N線有K-K線，有兩個(gè)分區(qū),不同水面曲線依次加腳標(biāo)1、2

3、、3、0、以示區(qū)別。,定性分析水面曲線,根據(jù)已知水深h在具體渠道中所處的區(qū)，確定水面曲線的類型；,指出dh/ds的極限情況，即水面曲線兩端的變化趨勢(shì)。,壅水曲線還是降水曲線，是哪種類型的壅水曲線和哪種類型的降水曲線；,緩坡(iicr)上a區(qū)的水面曲線,a1型壅水曲線,在上游,水面線與N-N線漸近相切,在下游,水面線與水平線漸近相切,緩坡(iicr)上a區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢(shì),b1型降水曲線,緩坡(iicr)上b區(qū)的水面曲線,在上游,水面線與N-N線漸近相切,在下游,水面線產(chǎn)生水跌,緩坡(iicr)上b區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢(shì),c1型壅水曲線,緩坡(iicr)上c區(qū)的水面曲線,在上游，始于某一

4、控制水深。,在下游,水面線產(chǎn)生水躍,緩坡(iicr)上c區(qū)的水面曲線兩端變化趨勢(shì),a2型壅水曲線,陡坡(iicr)上a區(qū)的水面曲線,在上游,產(chǎn)生水躍,在下游,水面線與水平線漸近相切,陡坡(iicr)上a區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢(shì),b2型降水曲線,陡坡(iicr)上b區(qū)的水面曲線,在上游,產(chǎn)生水跌,在下游,與N-N線漸近相切,陡坡(iicr)上b區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢(shì),c2型壅水曲線,陡坡(iicr)上c區(qū)的水面曲線,在上游，始于某一控制水深。,在下游,與N-N線漸近相切,陡坡(iicr)上c區(qū)的水面曲線兩端的變化趨勢(shì),臨界底坡(i=icr)上的水面曲線,N-N線與K-K線重合，即沒有b區(qū)，

5、只有a區(qū)和c區(qū)，也即只有a3型和c3型水面曲線。,a3型曲線的變化規(guī)律介于a1和a2之間，c3型曲線的變化規(guī)律介于c1和c2之間，即a3和c3曲線只能是兩條水平線。,平底坡(i=0)上的水面曲線,不存在正常水深h0，即沒有N-N線，不存在a區(qū)，只存在b區(qū)和c區(qū)，故只能產(chǎn)生b0和c0水面曲線。,水深在b區(qū),b0型降水曲線,在上游,在下游,產(chǎn)生水跌,平底坡(i=0)上的水面曲線,水深在c區(qū),c0型壅水曲線,在下游,產(chǎn)生水躍,在上游，始于某一控制水深。,反底坡(i0)上的水面曲線,水深在b區(qū),b型降水曲線,在上游,在下游,產(chǎn)生水跌,反底坡(i0)上的水面曲線,水深在c區(qū),c型壅水曲線,在下游,產(chǎn)生水

6、躍,在上游，始于某一控制水深。,水面曲線的基本變化規(guī)律,a、c區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線;,a區(qū)一定是緩流，c區(qū)一定是急流;,b區(qū)的水面曲線恒為降水曲線;,只有陡坡（iicr）上的b區(qū)是急流，其余底坡的b區(qū)是緩流;,與N-N相鄰的水面線，都與N-N線漸近;,與K-K相鄰的水面線，都趨向與K-K線正交;,在i0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。,在i0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。,由斷面比能解釋水面曲線的變化規(guī)律,以橫斷面最低點(diǎn)的水平面為

7、基準(zhǔn)面時(shí)，壓能與動(dòng)能之和就是斷面比能；,均勻流特點(diǎn)：斷面比能沿程不變。,均勻流時(shí)，渠底高程的降低值等于沿程水頭損失,a區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線,a區(qū)的水深大于均勻流水深，流速小于均勻流流速，所以流動(dòng)中的沿程水頭損失小于均勻流時(shí)的沿程水頭損失,斷面比能沿程增加,a區(qū)的流動(dòng)是緩流，斷面比能增加對(duì)應(yīng)著水深增加，于是形成壅水曲線。,c區(qū)的水面曲線恒為壅水曲線,c區(qū)的水深小于均勻流水深，流速大于均勻流流速，所以流動(dòng)中的沿程水頭損失大于均勻流時(shí)的沿程水頭損失,斷面比能沿程減小,c區(qū)的流動(dòng)是急流，：斷面比能減小對(duì)應(yīng)著水深增加，于是形成壅水曲線。,水面曲線的銜接,由緩流向急流過渡時(shí)產(chǎn)生水跌,由上渠的均勻流水深

8、h01過渡到下渠的均勻流水深h02水面曲線總的變化趨勢(shì)是降水。,關(guān)鍵是確定連接斷面M-M處的水深。,由急流向緩流過渡時(shí)產(chǎn)生水躍,由上渠的均勻流水深h01過渡到下渠的均勻流水深h02水面曲線總的變化趨勢(shì)是壅水，由急流向緩流過渡還要產(chǎn)生水躍。,關(guān)鍵問題是在上渠中壅水還是在下渠中壅水。取決于水躍發(fā)生的位置，水躍發(fā)生的位置取決于 的共扼水深 與 之間的對(duì)比關(guān)系。,在下渠的c區(qū)將產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍，水躍前有一c1壅水曲線，躍后斷面的水深為h02，其后為均勻流，整個(gè)上渠為均勻流。,在上渠中產(chǎn)生水躍，躍前水深為h01，水躍前為均勻流，水躍后有一a2壅水曲線，整個(gè)下渠為均勻流。,水躍就發(fā)生在M-M斷面處。,由緩流

9、向緩流過渡時(shí)只影響上游，下游為均勻流。,壅水曲線，關(guān)鍵是在上渠壅水還是在下渠壅水，還是兩渠中均壅水，取決于M-M斷面處的水深。,上渠中產(chǎn)生a1壅水曲線，下渠中為均勻流。,由急流向急流過渡時(shí)只影響下游，上游為均勻流。,由水深h01過渡到h02時(shí)總的趨勢(shì)是降水。,上渠中為均勻流，下渠中產(chǎn)生b2降水曲線。,臨界底坡渠道中的流動(dòng)型態(tài)將取決于相鄰渠道底坡的陡緩。,如果上（或下）游相鄰渠道的底坡是緩坡，則為由緩流過渡到緩流，如果上（或下）游相鄰渠道的底坡是陡坡，則為由急流過渡到急流。,平底坡和反底坡渠道可視為緩坡渠道，水庫(kù)中的流動(dòng)可視為緩流。,一平底坡與緩坡連接的渠道。當(dāng)上渠中的水深大于臨界水深時(shí)，上渠中

10、只能發(fā)生b0降水曲線，且在M-M斷面的銜接水深只能是h02，下渠中為均勻流。,定性分析水面曲線步驟,1) 求正常水深h0和臨界水深hcr，然后將渠道縱斷面分區(qū)。,正底坡渠道中底坡i大正常水深h0小，平底坡和反底坡渠道中無(wú)正常水深；,2) 確定控制水深。,跌坎處及由緩坡向陡坡轉(zhuǎn)折處的水深為臨界水深hcr。,臨界水深hcr與底坡i無(wú)關(guān)，隨流量增大而增大。,3) 由控制水深所處的區(qū)確定水面曲線的類型，由水面曲線變化規(guī)律確定水面曲線的變化趨勢(shì)。,例7.5.1 試定性畫出圖中所示的棱柱形長(zhǎng)渠道中的水面曲線。,7-6 明渠漸變流水面曲線的定量計(jì)算,明渠恒定漸變流的基本微分方程,定量計(jì)算水面曲線的目的就是采用數(shù)