流體力學(xué) 第八章

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？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、8.13P245-8.18明渠的底坡8.1概述明渠流動(dòng)：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(wú)壓流。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）。鉛垂斷面為過(guò)水?dāng)嗝?，鉛垂深度h為過(guò)水?dāng)嗝娴乃睢５灼骂?lèi)型：明渠斷面（以梯形最具有代表性）：其幾何要素可分為基本量和導(dǎo)出量?；玖浚旱讓抌、水深h、邊坡系數(shù)m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。導(dǎo)出量：水面寬B、過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、濕周、水力半徑明渠分類(lèi)：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。棱柱形渠道與非棱柱形渠道棱柱形渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA僅隨水深h而變化。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）與渠道底線互相平行；8.2明渠均勻流列（1）-（2）能量方程得：△Z=hfi=JJ=Jp=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(méi)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

K的單位同流量，稱為流量模數(shù)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的選定（3）明渠均勻流水力計(jì)算問(wèn)題

明渠均勻流水力計(jì)算問(wèn)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，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

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)。(3).寬深比已定，求相應(yīng)的b和h

(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當(dāng)i、n及A大小一定時(shí)，使渠道所通過(guò)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(guò)最大的流量。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(guò)最大流量時(shí)的斷面形式。

梯形過(guò)水?dāng)嗝媲赖乃ψ顑?yōu)斷面對(duì)水力最優(yōu)斷面，有這表明X存在最小值。將代入一階導(dǎo)公式中，得梯形水力最優(yōu)斷面的寬深比β0

值為

當(dāng)為矩形斷面時(shí)，，其水力最佳斷面寬深比為梯形斷面的水力半徑結(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。由連續(xù)方程可知，對(duì)于一定的流量，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的大小與斷面平均流速有關(guān)。為通過(guò)一定的流量，可采用不同大小的過(guò)水?dāng)嗝?，此時(shí)，渠道中就有不同的流速。如果流速過(guò)大，可能引起渠槽沖刷，而流速過(guò)小，又可能引起渠槽淤積，降低了渠道的過(guò)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(guò)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。渠道的允許流速8.3無(wú)壓圓管均勻流圓形無(wú)壓管：是指圓管中不滿流的管道，如排水管道。無(wú)壓圓管均勻流：長(zhǎng)直的無(wú)壓管流，當(dāng)i，n，d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(wú)壓圓管均勻流的水力特征無(wú)壓圓管均勻流的水力坡度J、測(cè)壓管水力坡度就Jp

、底坡i彼此相等，即J=Jp=i。二、過(guò)流斷面的幾何要素基本量：d直徑；h水深；α——充滿度α=h/dθ——充滿角，水深h對(duì)應(yīng)的圓心角導(dǎo)出量A——過(guò)流斷面面積；χ——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(guò)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(lái)流的流量和控制斷面條件來(lái)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(guò)水?dāng)嗝?，列能量方程：順坡渠道（i>0）平坡渠道（i>0）逆坡渠道（i>0）2種水面線8種水面線2種水面線緩坡渠道（i<ik）急坡渠道（i>ik）臨界坡渠道（i=ik）2種水面線3種水面線3種水面線在緩坡渠道上修建溢流壩，抬高水位使壩前水深超過(guò)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(mén)開(kāi)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。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(guò)臨界水深，形成跌水。在急坡渠道上閘門(mén)開(kāi)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c2型壅水