管流、明渠流及滲流

1、流  體 力  學(xué)第四講  管流、明渠流及滲流【內(nèi)容提要】孔口自由、淹沒出流，管嘴出流，收縮斷面，流量系數(shù)，短管水力計(jì)算及特例，串聯(lián)、并聯(lián)長管水力計(jì)算。明渠均勻流產(chǎn)生的必要條件及均勻流特性，謝才公式、滿寧公式，明渠均勻流水力計(jì)算，最佳水力斷面設(shè)計(jì)。滲流模型，滲透系數(shù)，達(dá)西定律，裘布依假設(shè)，潛水井計(jì)算公式?！局攸c(diǎn)、難點(diǎn)】孔口自由、淹沒出流，管嘴出流；達(dá)西定律，裘布依假設(shè)，潛水井等計(jì)算【內(nèi)容講解】一、孔口、管嘴出流、有壓管道恒定流1、薄壁小孔口恒定出流    流體經(jīng)孔口流出稱為孔口出流。如圖3-4-1。當(dāng)容器中水位(或壓強(qiáng))不變，孔口的出

2、流量恒定時(shí)，稱為恒定出流。當(dāng)容器壁比較薄，或孔口具有銳緣時(shí)，孔口的壁厚對(duì)出流沒有干擾作用，稱為薄壁孔口。流體從容器的四面八方流向孔口，流線成光滑曲線向孔口集中，在孔口斷面上流線不相平行，繼續(xù)收縮至距孔口斷面d/2(d為孔口直徑)處流線才趨于平行，此斷面稱為收縮斷面，即圖3-4-1中斷面c-c。收縮斷面的面積A，小于孔口面積A,3、有壓管道恒定流    液體充滿整個(gè)管道斷面，管壁處處受到液流的壓強(qiáng)作用，此壓強(qiáng)一般不等于大氣壓強(qiáng)，這種流動(dòng)稱有壓管流。當(dāng)管流中各運(yùn)動(dòng)要素均不隨時(shí)間變化，則稱為有壓管道恒定流。其中也包括了不考慮壓縮性的氣體在管道中的恒定流動(dòng)。有壓管道恒定流

3、的水力計(jì)算主要是確定管道中通過的流量；確定相應(yīng)的水頭；確定某斷面的壓強(qiáng)或壓強(qiáng)沿管線的變化。根據(jù)布置不同，可分為簡(jiǎn)單管道，串并聯(lián)管道。(三)并聯(lián)管道二、明渠恒定均勻流天然河道和輸水渠、排水溝、無壓涵洞等人工渠道以及不滿流管道中的水流稱為明渠水流。它們都具有自由表面，表面上各點(diǎn)壓強(qiáng)一般都等于大氣壓強(qiáng)，相對(duì)壓強(qiáng)為零。所以明渠水流又稱為無壓流動(dòng)。與有壓管流是不同的。明渠水流的運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間變化的稱為明渠恒定流；沿流線不變化的稱為明渠均勻流，反之則稱為明渠非恒定流和非均勻流。明渠水流在渠道中流動(dòng)，受到渠道橫斷面和渠道底坡的制約。渠道橫斷面的形狀、尺寸沿程不變的稱為棱柱形渠道，棱柱形渠道中水流的過水?dāng)嗝?/p>

4、的大小只隨水深變化。橫斷面的形狀或尺寸沿程有改變的則稱為非棱柱形渠道。渠道底部高程沿水流方向的變化用底坡表示。如圖3-4-6( )所示：1、明渠均勻流的形成條件和水力特征形成明渠均勻流的條件：長而直的棱柱形渠道；底坡i>0，且保持不變；渠道的粗糙情況沿程沒有變化；渠中水流為恒定流，且沿程流量不變。只有滿足以下全部條件，才會(huì)形成明渠均勻流。明渠均勻流流線為平行直線，過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸、水深、流量、斷面平均流速、斷面上的流速分布沿程均不變。所以水面線與渠底平行，總水頭線與水面線平行(水面線即測(cè)壓管水頭線)，水力坡度與測(cè)壓管坡度與底坡均相等。所以明渠均勻流是在特定條件下，作用在液流上的重力和

5、阻力相平衡的產(chǎn)物。它的計(jì)算特別簡(jiǎn)單，因此雖然實(shí)際工程中常遇到明渠非均勻流，但在長直的順坡人工溝渠中，取最大流量來校核渠道的通過能力，或按最大流量來設(shè)計(jì)斷面時(shí)，按均勻流計(jì)算可以很方便地得到足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。2、明渠均勻流的水力計(jì)算三、滲流    1、概述流體在孔隙介質(zhì)中的流動(dòng)稱為滲流。本節(jié)主要討論水在土壤孔隙中流動(dòng)的規(guī)律。這種滲流也稱為地下水流動(dòng)。在工程問題中，需要知道的是某一范圍內(nèi)滲流的平均效果，如平均滲流量、平均滲透壓力等，而不需要知道土壤孔隙中滲流的詳細(xì)過程，因此研究滲流時(shí)引入簡(jiǎn)化的滲流模型來替實(shí)際的滲流運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)化的滲流模型是：認(rèn)為滲流區(qū)內(nèi)不存在土壤顆粒且為水所

6、充滿。這樣整個(gè)滲流區(qū)可以被看成是為水所充滿的連續(xù)流動(dòng)。它必須滿足：對(duì)同一過水?dāng)嗝?，模型的滲流量應(yīng)等于真實(shí)的滲流量；.作用于模型任意面積上的滲透壓力應(yīng)等于真實(shí)的滲透壓力。必須注意，滲流模型中的流速和實(shí)際滲流中的流速是不會(huì)相等的。    2、滲流的達(dá)西定律(一)達(dá)西定律達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資料，得到圓筒內(nèi)的滲流量Q與圓筒橫斷面積A和水力坡度 成正比，并和土壤的透水性能有關(guān)。達(dá)西建立的基本關(guān)系為：5、大口井與基坑排水大口井是采取淺層地下水的一種井，井徑較大，大致為210m或更大些。井底出水量是總出水量的一個(gè)組成部分。由于大口井與基坑排水的性質(zhì)近似，計(jì)算方法基本相同。大口井有井壁進(jìn)水和井底進(jìn)水等方式，而井底進(jìn)水方式往往占重要的地位。對(duì)于井壁進(jìn)水的完