哈工大水力學(xué)課件第8章_明渠流動(dòng)(彩色)

1、第第8 8章章明渠流動(dòng)明渠流動(dòng)8.1 概述概述8.2 明渠均勻流明渠均勻流8.3 無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流8.4 明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)8.5 水躍和水跌水躍和水跌18.1概述概述明渠（明渠（Channel）：）：是是人人工工渠道、渠道、天天然河道然河道以以及非滿及非滿 管流管道統(tǒng)稱為明渠。管流管道統(tǒng)稱為明渠。明渠流（明渠流（Channel Flow） ：具有露在大氣中：具有露在大氣中的的自由液自由液 面面的槽內(nèi)液體流動(dòng)稱為明渠流（明槽流）的槽內(nèi)液體流動(dòng)稱為明渠流（明槽流）或或無壓流無壓流（Free Flow）。28.1概述概述一、明渠流動(dòng)的特點(diǎn)一、明渠流動(dòng)的特點(diǎn) 1 1、具有自由液面，

2、、具有自由液面，p p0 0=0=0，無壓流無壓流（滿管流則是有壓流）。（滿管流則是有壓流）。2 2、濕周濕周是過水?dāng)嗝婀腆w壁面與液體接觸部分的周是過水?dāng)嗝婀腆w壁面與液體接觸部分的周長長, ,不不 等等于過水?dāng)嗝娴闹荛L。于過水?dāng)嗝娴闹荛L。3 3、重力是流動(dòng)的動(dòng)力，、重力是流動(dòng)的動(dòng)力，重力重力流流（管流則是壓力流）（管流則是壓力流）4 4、渠道的、渠道的坡度影坡度影響響水流的流速、水流的流速、水水深。坡度增大，深。坡度增大，則則 流流速速 ，水深，水深 。5 5、明渠局部邊界明渠局部邊界突然變化時(shí)，影響范圍大。（有壓管突然變化時(shí)，影響范圍大。（有壓管 流流影響范圍小影響范圍小）38.1概述概述二

3、、明渠流的分類二、明渠流的分類明渠流明渠流非恒定流非恒定流 恒定流恒定流均勻流均勻流 非均勻流非均勻流漸變流漸變流急變流急變流三、明渠的分類三、明渠的分類明渠斷面形狀有：明渠斷面形狀有： 梯形梯形：常用的斷面形狀：常用的斷面形狀 矩形矩形：用于小型灌溉渠道當(dāng)中：用于小型灌溉渠道當(dāng)中 拋物線形拋物線形：較少使用：較少使用 圓形圓形：為水力最優(yōu)斷面，常用于城市的排水系統(tǒng)中：為水力最優(yōu)斷面，常用于城市的排水系統(tǒng)中48.1概述概述1、按明渠的斷面形狀和尺寸是否變、按明渠的斷面形狀和尺寸是否變化化：棱柱形渠道（棱柱形渠道（Prismatic Channel） ：斷面形狀：斷面形狀 和和尺寸沿程尺寸沿程不

4、不變變的長直明渠稱為棱柱形渠道。的長直明渠稱為棱柱形渠道。明明 渠渠非棱柱形渠道非棱柱形渠道（Non-Prismatic Channel） ：斷：斷 面形狀和尺寸沿程不面形狀和尺寸沿程不斷斷變化變化的明渠稱為非棱柱的明渠稱為非棱柱形渠道。形渠道。58.1概述概述2、按底坡分、按底坡分底底坡坡 i 渠道底部沿程單位長度的降低值渠道底部沿程單位長度的降低值。i 1 2 z sin tg zlll正坡（正坡（Downhill Slope） ： i0，明槽槽底沿程降低，明槽槽底沿程降低者者,或稱順坡?；蚍Q順坡。 平坡（平坡（Horizontal Bed） ：i=0，明槽槽底高程沿程不變。，明槽槽底高程

5、沿程不變。 逆坡逆坡（Adverse Slope）： i0i=0i0il渠底線互相渠底線互相平平行行，即：，即：列（列（1）- （2）能量方程得：）能量方程得：Z= hfi JJ J p i78.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流物理意義：水流因高程降低而引起的勢(shì)能減少正好等物理意義：水流因高程降低而引起的勢(shì)能減少正好等 于克服阻力所于克服阻力所損耗的損耗的能能量，而量，而水流水流的動(dòng)的動(dòng)能維能維持不持不變變。2、形成條件、形成條件1）底坡和壁面粗糙沿程不變的長而直的）底坡和壁面粗糙沿程不變的長而直的棱柱形棱柱形渠道；渠道；2）渠道必須為）渠道必須為順順坡坡(i0)；3）渠道中）渠道中沒有沒有建筑

6、物的局建筑物的局部部干擾干擾；4）明渠中的水流必須是）明渠中的水流必須是恒恒定定的，沿程無水流的匯的，沿程無水流的匯 入、入、匯出，即流量不變。匯出，即流量不變。88.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流二、過流斷面的幾何要二、過流斷面的幾何要素素 （以梯形斷面為例）（以梯形斷面為例）1、基本量、基本量 b底寬；底寬；h水深；水深；m邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)， m=cot Bam越大，邊坡越越大，邊坡越緩緩； m越小，越小，邊邊 坡越陡坡越陡； m=0時(shí)是矩形斷面。時(shí)是矩形斷面。 m根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及設(shè)計(jì)范圍根據(jù)邊坡巖土性質(zhì)及設(shè)計(jì)范圍9hb來選定。來選定。8.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流B2、導(dǎo)出量、導(dǎo)出

7、量mhB水面寬水面寬B b 2mhhA過流斷面面過流斷面面積積 A (b mh)hb2濕周濕周 b 2h1 mR R水力半徑水力半徑10R A8.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流三、明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式三、明渠均勻流水力計(jì)算的基本公式謝才公式謝才公式：連續(xù)性方程連續(xù)性方程：Q A CRJ CRi Q A ACRi K iK明渠均勻流的流量模數(shù)明渠均勻流的流量模數(shù)K AC RC C謝才系數(shù)，按曼寧公式計(jì)算謝才系數(shù)，按曼寧公式計(jì)算 曼寧公式：曼寧公式：C 1 R1/ 6 (m1/ 2 / s)11n8.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流四、水力最優(yōu)斷四、水力最優(yōu)斷面面（The Best Hydr

8、aulic Section）水力最優(yōu)斷面水力最優(yōu)斷面：是指當(dāng)渠道底是指當(dāng)渠道底坡坡i、壁面粗糙系、壁面粗糙系數(shù)數(shù)n及過及過 流面積流面積A大小一定大小一定時(shí)，通時(shí)，通過過最大流最大流量量時(shí)的斷面形式時(shí)的斷面形式。對(duì)于對(duì)于明渠均勻明渠均勻流流，有，有Q AC Ri 532113 i222n 31n1 AARi說明：說明：1）具有水力最優(yōu)斷面的明渠均勻流，當(dāng)）具有水力最優(yōu)斷面的明渠均勻流，當(dāng)i，n， A給定給定時(shí)，水力半時(shí)，水力半徑徑R最大，即最大，即濕周最小濕周最小的斷面能通過的斷面能通過 最大的流量。最大的流量。2） i，n，A給定時(shí)給定時(shí)，濕周最小的斷面是圓形斷面，濕周最小的斷面是圓形斷面，

9、即即圓管圓管為水力最優(yōu)斷面。為水力最優(yōu)斷面。128.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流A (b mh)h對(duì)于對(duì)于梯形渠道斷面梯形渠道斷面解得解得 b 2h 1 m2b A mhh代入得代入得1 m2 A mh 2hhd A m 2 1 m2 0h2dh2d 2A 0dh213h38.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流水力最優(yōu)水力最優(yōu)梯形斷梯形斷面的寬深比面的寬深比為為 2( 1 m 2 m) ( b )hhh水力最優(yōu)水力最優(yōu)梯形斷面的水力半梯形斷面的水力半徑徑為為 h2 h 2Rh水力最優(yōu)水力最優(yōu)矩形斷面的寬深比矩形斷面的寬深比為為(m=0) 注意注意：1）水力最優(yōu)梯形斷面是一）水力最優(yōu)梯形斷面是一種

10、種窄深式窄深式渠道（渠道（當(dāng)當(dāng)m 1時(shí)，時(shí)， h1），）， 只是水力條件最優(yōu)只是水力條件最優(yōu)(而非技術(shù)經(jīng)濟(jì)最而非技術(shù)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)優(yōu))。例如：例如：對(duì)于梯形渠道，對(duì)于梯形渠道，當(dāng)當(dāng)m=2時(shí)，時(shí)， h=0.472，即，即b=0.472h， 底寬不到水深的一半。底寬不到水深的一半。 2）一般）一般地，水力最優(yōu)斷面應(yīng)用于一些地，水力最優(yōu)斷面應(yīng)用于一些小小型型的排水渠或小型的的排水渠或小型的 灌溉渠道中。大型渠道應(yīng)進(jìn)行綜合比較，灌溉渠道中。大型渠道應(yīng)進(jìn)行綜合比較，確定最佳斷面。確定最佳斷面。148.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流五、渠道的允許流速五、渠道的允許流速在設(shè)計(jì)中，要求渠道流速在設(shè)計(jì)中，要求渠道流速

11、v在不沖、不淤的允許在不沖、不淤的允許 流速范圍內(nèi)，流速范圍內(nèi)，即即：v vmax v v v vmin v v mamax x渠道不被沖刷的最大允許流速，即不沖渠道不被沖刷的最大允許流速，即不沖 允許流速，根據(jù)壁面材料而定；允許流速，根據(jù)壁面材料而定； v v minmin渠道不被淤積的最小允許流速，即不淤渠道不被淤積的最小允許流速，即不淤 允許流速，一允許流速，一般應(yīng)大般應(yīng)大于于0.5 m/s。158.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流六、明渠均勻流水力計(jì)算的基本問題六、明渠均勻流水力計(jì)算的基本問題 明渠均勻流的明渠均勻流的基基本公本公式式為為：Q AC Ri K i f (m，b，h，i，n

12、)（一）驗(yàn)算渠道的輸水能力（一）驗(yàn)算渠道的輸水能力 對(duì)已建成的渠道進(jìn)行校核性對(duì)已建成的渠道進(jìn)行校核性的水力計(jì)算的水力計(jì)算已知已知： n，i， m，b，h，確定，確定Q（二）確定渠道的底坡（二）確定渠道的底坡 已知渠道的土壤或護(hù)面材料、設(shè)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計(jì)流量以及斷面的幾何尺寸，即已知尺寸，即已知n，Q和和b，m，h 各量，確定渠道的底各量，確定渠道的底坡坡i16Q 2Q 2A2C 2 RKi 28.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流（三）確定渠道的斷面尺寸（三）確定渠道的斷面尺寸 在設(shè)計(jì)一在設(shè)計(jì)一條新渠道時(shí)，條新渠道時(shí)，一一般已般已知流知流量量Q、渠道底渠道底坡坡i

13、、邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)m及粗糙系及粗糙系數(shù)數(shù)n，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即，要求設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸，即 確定渠道的底確定渠道的底寬寬b和水和水深深h。這時(shí)將有多組這時(shí)將有多組解解，為得到確定解，為得到確定解，需要另外補(bǔ)充條需要另外補(bǔ)充條件件。1、水、水深深 h 已定，求相應(yīng)的底寬已定，求相應(yīng)的底寬bR f (b)K AC bbK=f(b)iQK0K17K08.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流2、底、底寬寬 b 已定，求相應(yīng)的水深已定，求相應(yīng)的水深hK=f(b)R f (h)K AC hhiQK0 KK03、寬深、寬深比比 已定，求相應(yīng)已定，求相應(yīng)的的b和和 h小型渠道，按水力最優(yōu)設(shè)計(jì)；小型渠道，按水

14、力最優(yōu)設(shè)計(jì)； b 2( 1 m2 m) h大型土渠，考慮經(jīng)濟(jì)條件；大型土渠，考慮經(jīng)濟(jì)條件； 3 5 b h18通航渠道，則按特殊要求設(shè)計(jì)。通航渠道，則按特殊要求設(shè)計(jì)。8.2明明 渠渠 均均 勻勻 流流4、限定渠道最大允許流、限定渠道最大允許流速速vmax，求相應(yīng)，求相應(yīng)的的b和和 hmaxQA R ( nmax )3/ 2i1/ 2A h(b mh)又又聯(lián)立求聯(lián)立求解解 b b、h hb2h 1m2AAR 19例例8-1：某梯形斷面土渠中發(fā)生均勻流動(dòng)，已知：底寬：某梯形斷面土渠中發(fā)生均勻流動(dòng)，已知：底寬 b=2m，m=1.5，水深，水深h=1.5m，底底坡坡i=0.0004，粗糙系，粗糙系 數(shù)

15、數(shù)n=0.0225，試求渠中流速，試求渠中流速V，流量，流量Q。解解： CRiA=(b+mh)h =（2+ 1.5 1.5） 1.5=6.38m2 b 2h 1 m2 2 2 1.5 11.52 7.41mR A 6.38 0.68m7.14 0.80m / s2 / 3i1/ 2 CRi Rn 0.0004 0.861/ 22 / 30.022511Q=VA=0.80 6.38=5.10 m3 /s20例例8-28-2：有一梯形渠道，在土層中開挖，邊坡系數(shù)：有一梯形渠道，在土層中開挖，邊坡系數(shù)m=1.5m=1.5，粗糙系數(shù)，粗糙系數(shù)n=0.025n=0.025 ，底坡，底坡i=0.0005i

16、=0.0005，設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)流量 Q=1.5mQ=1.5m3 3/ /s s 。按水力最優(yōu)條件設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。按水力最優(yōu)條件設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。 解：解：水力最優(yōu)寬深比水力最優(yōu)寬深比11.52 1.5) 0.606 2( 1 m2 m) 2(則則b=0.606hhbA=(b+mh)h=(0.606h+1.5h)h=2.106 h2又水力最優(yōu)斷面的水力半又水力最優(yōu)斷面的水力半徑徑R=0. 5h將將A、R代入基本公式代入基本公式Q ACRi A R2 / 3i1/ 2 1.186h8 / 3n3/ 8 1.092m21Qh 1.186 b=0.606 1.092=0.66m8.3無壓圓管均勻流無

17、壓圓管均勻流圓形無壓管圓形無壓管：是指圓管中不滿流的管道，如排水管道。：是指圓管中不滿流的管道，如排水管道。長直的無壓管長直的無壓管流，流，當(dāng)當(dāng)i，n，d均保持沿程不變時(shí)，管中均保持沿程不變時(shí)，管中 水流可認(rèn)為是明渠均勻流水流可認(rèn)為是明渠均勻流。無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流一、無壓圓管均勻流的水力特征一、無壓圓管均勻流的水力特征無壓圓管均勻流的水力坡無壓圓管均勻流的水力坡度度J 、測(cè)壓管水力坡度、測(cè)壓管水力坡度Jp 、 底底坡坡 i 彼此相等，即彼此相等，即J=Jp=i。Q ACRi228.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流二、過流斷面的幾何要素二、過流斷面的幾何要素MM基本量基本量：d直徑；直徑

18、；h水深水深；hdO充滿充滿度度 =h/d充滿角，水深充滿角，水深h對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 的圓心角的圓心角 sin2 導(dǎo)出量導(dǎo)出量：4A過流斷面面積；過流斷面面積；濕周濕周；R水力半徑水力半徑238.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流MMNN三、輸水性能最優(yōu)充滿度三、輸水性能最優(yōu)充滿度對(duì)確定的無壓管對(duì)確定的無壓管道（道（d、n、i 一定），流量隨水深變化一定），流量隨水深變化hdO1/ 25/32/3 1/ 2n2/31niAQ AC Ri A R i1、水力最優(yōu)充滿度、水力最優(yōu)充滿度h 下半周下半周180A慢，慢， 快，隨快，隨 ，Q慢慢在滿流前在滿流前（hd），輸水能力），輸水能力Q達(dá)最大達(dá)最大值值，相應(yīng)

19、的充，相應(yīng)的充滿度滿度是水力最優(yōu)充滿是水力最優(yōu)充滿度度h。248.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流( sin), d 2d2A 1.0d0.80.6hh5/ 3d 280.4Q2 / 31/ 2( sin ) 8Q i0.2 2對(duì)上式求導(dǎo)，令對(duì)上式求導(dǎo)，令dQ/ddQ/d=0=0d nQ 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.200QQ 0 h 308o：水力最優(yōu)充滿角水力最優(yōu)充滿角：水力最優(yōu)充滿度水力最優(yōu)充滿度 sin 2 h 0.954hQ0 1.087Q251.0d0.80.6hh8.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流2、速度最優(yōu)充滿、速度最優(yōu)充滿度度hQ2/31/ 22/3 1/

20、21 id (1 sin )n 4 R in0.40.20 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20hQ0Q Q過流速度最優(yōu)充滿角過流速度最優(yōu)充滿角 過流速度最優(yōu)充滿度過流速度最優(yōu)充滿度 257.5o00水力最優(yōu)充滿度水力最優(yōu)充滿度并并不是設(shè)計(jì)充滿不是設(shè)計(jì)充滿度度，實(shí)際采用的設(shè)，實(shí)際采用的設(shè) 計(jì)充滿度，尚需根據(jù)管道的工作條件、以及直徑的大小計(jì)充滿度，尚需根據(jù)管道的工作條件、以及直徑的大小h 0.81v v 1.16 0.95，Q 1.08最大值； 0.81， 1.16最大值。26來確定來確定8.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流四、最大充滿度、允許流速四、最大充滿度、允許流速在工程上進(jìn)行無

21、壓管道的水力計(jì)算在工程上進(jìn)行無壓管道的水力計(jì)算，還需符合有關(guān)的規(guī)，還需符合有關(guān)的規(guī) 范規(guī)定。對(duì)于污水管道，為避免因流量變動(dòng)形成有壓流，范規(guī)定。對(duì)于污水管道，為避免因流量變動(dòng)形成有壓流， 充滿度不能過充滿度不能過大大P P21217 7表表 8-8-5 5 。雨水管道和合流管道，允許短時(shí)承壓，按滿管流進(jìn)行水雨水管道和合流管道，允許短時(shí)承壓，按滿管流進(jìn)行水 力計(jì)算。力計(jì)算。為防止管道發(fā)生沖刷和淤積為防止管道發(fā)生沖刷和淤積最大設(shè)計(jì)流速最大設(shè)計(jì)流速金屬金屬管管vmax=10 m/s非金屬非金屬管管 vmax= 5 m/s最小設(shè)計(jì)流速最小設(shè)計(jì)流速( (設(shè)計(jì)充滿度設(shè)計(jì)充滿度) )d500 mm 取取0.7

22、 m/s d500 mm 取取0.8 m/s278.3無壓圓管均勻流無壓圓管均勻流五、無壓圓管流水力計(jì)算的基本問題五、無壓圓管流水力計(jì)算的基本問題1、驗(yàn)算輸水能力、驗(yàn)算輸水能力已知已知d、h、n及及i，求圓管所通過的流，求圓管所通過的流量量Q。直接應(yīng)。直接應(yīng)用公式用公式2、確定底坡、確定底坡iQ ACRi已知已知Q、 d、n及及h，確定圓管底，確定圓管底坡坡i直接應(yīng)用公式直接應(yīng)用公式A2C 2 RQK 2Qi 223、設(shè)計(jì)圓管的過水?dāng)嗝娉叽纾ㄇ蠊?、設(shè)計(jì)圓管的過水?dāng)嗝娉叽纾ㄇ蠊軓綇絛）已知已知Q、h、i、n，求圓管直，求圓管直徑徑dRi f (d )28Q AC8.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠

23、水流有兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)明渠水流有兩種截然不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：急流：急流：水流湍急，水面遇障礙物隆起后流過水流湍急，水面遇障礙物隆起后流過, ,上游水面上游水面 不發(fā)生壅高，不發(fā)生壅高，障礙物干擾對(duì)上游來流無影響障礙物干擾對(duì)上游來流無影響；常見于陡槽、瀑布、險(xiǎn)灘中常見于陡槽、瀑布、險(xiǎn)灘中緩流：緩流：水流徐緩，常見于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季水流徐緩，常見于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季 節(jié)的平原河道中節(jié)的平原河道中, ,遇到障礙物（如河道中的孤石遇到障礙物（如河道中的孤石）阻水，）阻水，則障礙物前水面壅則障礙物前水面壅高，高，逆流上傳到較遠(yuǎn)逆流上傳到較遠(yuǎn)的地方的地方298.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀

24、態(tài)一、明渠非均勻流產(chǎn)生原因和特征一、明渠非均勻流產(chǎn)生原因和特征1、產(chǎn)生原因、產(chǎn)生原因非均勻流(壅水曲線） M1：明渠均勻流明渠均勻流（等速流、等深（等速流、等深流流）h0iic只發(fā)生在斷面形狀尺寸只發(fā)生在斷面形狀尺寸、i、n沿程不變的長直渠道沿程不變的長直渠道 中（渠道邊界中（渠道邊界不發(fā)生變化不發(fā)生變化）：明渠非均勻流（實(shí)際情況）明渠非均勻流（實(shí)際情況） 當(dāng)在渠道中修建了任意當(dāng)在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破壞形式的水工建筑物，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)?；瑥亩a(chǎn)生明渠非均勻流

25、流動(dòng)。水工建筑物：水工建筑物：橋、涵橋、涵管管、壩、壩、閘閘、跌水、跌水 自然因素：河自然因素：河渠過流斷面、河床底坡渠過流斷面、河床底坡308.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)2、特征、特征M1：水力特點(diǎn)水力特點(diǎn)明渠均勻流明渠均勻流 明渠非均勻流明渠非均勻流h0iici=J=Jp iJ Jp：水面線水面線明渠均勻明渠均勻流流 直線直線 明渠非均勻明渠非均勻流流 曲曲線線明渠非均勻流主要討論的問題：計(jì)算明渠非均勻流主要討論的問題：計(jì)算各各過水過水?dāng)鄶鄶鄶嗝婷婷婷嫠?深深h的沿程變的沿程變化化，即分析和計(jì)算渠道的水面曲線即分析和計(jì)算渠道的水面曲線。318.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)二、微幅干擾波

26、波速、弗勞得數(shù)二、微幅干擾波波速、弗勞得數(shù)微波波速微波波速c，水流流速水流流速v 微波的絕對(duì)速度微波的絕對(duì)速度ccgA v c v B vc 急急流流 (Supercritical flow)，對(duì)于矩形斷面對(duì)于矩形斷面gAc c ghB 微波波速是判別明渠流態(tài)的重要參數(shù)微波波速是判別明渠流態(tài)的重要參數(shù)。328.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài) 弗勞德數(shù)弗勞德數(shù)Fr (Froudes number)v vv Fr vcgAghB Fr1，急流，急流 Fr(弗勞德數(shù)弗勞德數(shù))的物理意義的物理意義2= =慣性力慣性力/ /重力重力；Fr=動(dòng)能動(dòng)能/ /勢(shì)能勢(shì)能Fr2 vgh338.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀

27、態(tài)三、斷面單位能量三、斷面單位能量（ Cross-sectional Unit Energy ）是指當(dāng)基準(zhǔn)是指當(dāng)基準(zhǔn)面面0-0取在取在各斷面渠底最低高程各斷面渠底最低高程時(shí)，單位重量流體時(shí)，單位重量流體 所具有的機(jī)械能。所具有的機(jī)械能。Es E z h 22J22gh2 gEshJP2 gEsEOOzOzOE0000348.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)水流的水流的斷面單位能斷面單位能量量Es與與單位重量流體機(jī)械單位重量流體機(jī)械 E的的區(qū)別區(qū)別：1. E沿程是同一個(gè)基準(zhǔn)面；而沿程是同一個(gè)基準(zhǔn)面；而Es是通過各自斷面最是通過各自斷面最 低低點(diǎn)為基準(zhǔn)面點(diǎn)為基準(zhǔn)面，沿程基準(zhǔn)面不相同，沿程基準(zhǔn)面不相同。2

28、. E沿程減少沿程減少， Es沿水流方向可以增大、不變或減沿水流方向可以增大、不變或減 小。小。（明渠均勻流（明渠均勻流Es 沿程不變沿程不變）358.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)當(dāng)棱柱形渠道（斷面形狀、尺寸不變）流量一定時(shí)，當(dāng)棱柱形渠道（斷面形狀、尺寸不變）流量一定時(shí)， 斷面單位能量斷面單位能量Es是水深是水深h的單值連續(xù)函的單值連續(xù)函數(shù)。數(shù)。 f (h)2Q22 gAEs h 斷面單位能量曲線斷面單位能量曲線的的基本特征基本特征（圖圖8-20）：）： 1、當(dāng)、當(dāng)水深很水深很小小，即，即h0，則則Es，斷面單位能量曲線，斷面單位能量曲線以以橫坐標(biāo)橫坐標(biāo) 為漸近線為漸近線。2、當(dāng)、當(dāng)水深很水深很

29、大大，即，即h，則則Esh，斷面單位能量曲線，斷面單位能量曲線以以45 線線為為 漸漸近線近線。 3、在、在Es=f(h)的連續(xù)區(qū)間內(nèi)，必有一的連續(xù)區(qū)間內(nèi)，必有一極小極小值值Esmin存在，其對(duì)應(yīng)存在，其對(duì)應(yīng)水水深為深為臨界水臨界水深深hc。4、 E將曲線分上、下兩支：上支將曲線分上、下兩支：上支smin；下支；下支，且相應(yīng)，且相應(yīng)于任一于任一Es有兩個(gè)水深。有兩個(gè)水深。 0 s dhdEdE 0dh s 2 2 1 Q 1 v 1 Fr 2B36gA3sg AdEdAdhdh8.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)四、臨界水四、臨界水深深 h hc c（Critical depth）是指在斷面形式和流

30、量給定的條件下，相應(yīng)斷面單位能是指在斷面形式和流量給定的條件下，相應(yīng)斷面單位能量量E ES S最小時(shí)的水深，則有最小時(shí)的水深，則有 0dhdEsQ 2Q 2dAQdA BdhdE s（A為過流斷面面積為過流斷面面積、B為水面寬度為水面寬度） 1 1 B 0gA 3dhgA 3dh臨界水深的計(jì)算式臨界水深的計(jì)算式h f ( h )A 3Bf ( h c)A 3 Q 2gBcchcBcAcg Q32BA 3：矩形斷矩形斷面面的明渠水流的明渠水流33單寬流量, m2 / s37bb hBcA3gQ2cch 32gqcQbq 8.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)五、臨界底坡五、臨界底坡（ Critical

31、Slope）棱柱形渠道棱柱形渠道（斷面形狀斷面形狀、尺寸不變尺寸不變）壁面粗糙壁面粗糙n、流流量量Q一一 定時(shí)，均勻流正常水深定時(shí)，均勻流正常水深h0的大小取決于渠道底的大小取決于渠道底坡坡i。底底坡坡i 越越 大，大，均勻流水深均勻流水深h0越小越小。若若均勻均勻流流的正常水深的正常水深h0恰好等于該流量下的臨界水深恰好等于該流量下的臨界水深 h hc c，則此時(shí)渠道的底坡則此時(shí)渠道的底坡i就稱就稱為為臨界底臨界底坡坡ic c。Q AcCcRcic cgQi C 2A2C 2 R2B cA c Q g23cccccBc38：臨界底坡是為了計(jì)算或分析的方便而引入臨界底坡是為了計(jì)算或分析的方便而

32、引入的一的一個(gè)個(gè)特定坡度特定坡度8.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)緩坡（緩坡（iic）：即實(shí)際的明渠底坡大于某一流量下的臨：即實(shí)際的明渠底坡大于某一流量下的臨 界坡度，此時(shí)的渠底坡度稱為陡坡。界坡度，此時(shí)的渠底坡度稱為陡坡。臨界坡（臨界坡（i=ic）：即實(shí)際的明渠底坡等于某一流量下的：即實(shí)際的明渠底坡等于某一流量下的 臨界坡度，臨界坡度，此時(shí)的渠底坡度稱為臨界此時(shí)的渠底坡度稱為臨界坡坡。398.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)六、明渠水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其判別標(biāo)準(zhǔn)六、明渠水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其判別標(biāo)準(zhǔn) 緩流緩流： iic，h hc，v vc急流急流： i ic，h hc， v vc臨界流臨界流： i =ic，h

33、 = hc， v = vc緩流、急流、臨界流緩流、急流、臨界流的的判別標(biāo)判別標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)：Q 2 2 1 Fr 2 1 B 1 dEsgA3gA / BdhFr弗勞德數(shù)，弗勞德數(shù)，以平均水深為特征長度的無因次準(zhǔn)則數(shù)以平均水深為特征長度的無因次準(zhǔn)則數(shù)408.4明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流動(dòng)狀態(tài)明渠流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如明渠流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如下下：（1）（2）（3）（4）（5）緩流：緩流： 0Fr 1.0i ic ch hcdhdEsdEs急流急流：Fr 1.0 0h h i idhccc臨界流：臨界流： 0Fr 1.0h h i idEscccdh注注： （1）、（）、（2）、（）、（3）、）、（5）適

34、用于明渠均勻）適用于明渠均勻 流或非均勻流，（流或非均勻流，（4）只適用于明渠均勻流。）只適用于明渠均勻流。41例例8-38-3：一梯形斷面明渠均勻流，已知底寬一梯形斷面明渠均勻流，已知底寬b=3mb=3m，水深，水深 h=0.8mh=0.8m，m=1.5m=1.5，n=0.0n=0.03 3 ，i=0.0005i=0.0005，水水溫溫2 20 0 C C（ =0.0101cm=0.0101cm2 2/ /s s ），判斷此水流為紊流或?qū)恿?，急流或），判斷此水流為紊流或?qū)恿?，急流或緩流？緩流？解：解：A=(b+mh)h=(3+1.50.8) 0.8=3.36m2 b 2h 1 m2 3 2

35、0.8 1 1.52 5.88m1R A 0.57m1116 30.35m/ sC R 0.57n 0.031/ 260.57 0.0005 0.512m / sV CRi 30.35 2.89 105 57542VR 0.5120.57 Re 0.0101104所以水流所以水流為為紊紊流流。例例8-38-3：一梯形斷面明渠均勻流，已知底寬一梯形斷面明渠均勻流，已知底寬b=3mb=3m，水深，水深h=0.8mh=0.8m，m=1.5m=1.5，n=0.0n=0.03 3 ，i=0.0005i=0.0005，水水溫溫2 20 0 C C（ =0.0101cm=0.0101cm2 2/ /s s

36、），判斷此水流為紊流或?qū)恿?，急流或），判斷此水流為紊流或?qū)恿?，急流?緩流？緩流？水面水面寬寬B=b+2mh=3+ 2 1.50.8=5.4mh A 3.36 0.62m B5.4V 2430.512229.80.62 0.0441 1Frgh所以水流所以水流為為緩緩流流。8.5水躍和水跌水躍和水跌一、水躍一、水躍（ Hydraulic Jump ）明渠水流從明渠水流從急流狀態(tài)過渡到緩流狀急流狀態(tài)過渡到緩流狀態(tài)態(tài)時(shí)時(shí)，水面突然躍起水面突然躍起 的局部水力現(xiàn)象。如閘下出流。的局部水力現(xiàn)象。如閘下出流。水躍的分區(qū)水躍的分區(qū)：急流急流區(qū)區(qū)水躍區(qū)水躍區(qū)域域緩緩流區(qū)流區(qū)旋滾旋滾區(qū)區(qū)：水躍區(qū)域的上部呈水躍區(qū)域的上部呈旋滾區(qū)旋滾區(qū)水躍高度水躍高度C Cv1hh。v2水躍長度水躍長度主流區(qū)主流區(qū)主流主流區(qū)區(qū)：水躍區(qū)域下部為在鉛水躍區(qū)