第六章 無(wú)壓流動(dòng)456789

一、斷面單位能量（Cross-sectionalUnitEnergy）0OO0zhzEsOzhJJP00i>0OEEsE是指當(dāng)基準(zhǔn)面0-0取在各斷面渠底最低高程時(shí)，單位重量流體所具有的機(jī)械能。第四節(jié)明渠非均勻流若干基本概念及流態(tài)判別水流的斷面單位能量Es與單位重量流體機(jī)械能E的區(qū)別：1.E沿程是同一個(gè)基準(zhǔn)面；而Es是通過(guò)各自斷面最低點(diǎn)為基準(zhǔn)面，沿程基準(zhǔn)面不相同。2.E沿程減少，Es沿水流方向可以增大、不變或減小。（明渠均勻流Es沿程不變）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Es是水深h的單值連續(xù)函數(shù)。斷面單位能量曲線的基本特征（圖7-20）：1、當(dāng)水深很小，即h0，則Es，斷面單位能量曲線以橫坐標(biāo)為漸近線。2、當(dāng)水深很大，即h，則Esh，斷面單位能量曲線以45線為漸近線。3、在Es=f(h)的連續(xù)區(qū)間內(nèi)，必有一極小值Esmin存在，其對(duì)應(yīng)水深為臨界水深hc。4、Esmin將曲線分上、下兩支：上支；下支，且相應(yīng)于任一Es有兩個(gè)水深。二、臨界水深hc（Criticaldepth）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ES最小時(shí)的水深，則有（A為過(guò)流斷面面積、B為水面寬度）臨界水深的計(jì)算式hhc矩形斷面的明渠水流三、臨界底坡（CriticalSlope）棱柱形渠道（斷面形狀、尺寸不變）壁面粗糙n、流量Q一定時(shí)，均勻流正常水深h0的大小取決于渠道底坡i。底坡i越大，均勻流水深h0越小。若均勻流的正常水深h0恰好等于該流量下的臨界水深hc，則此時(shí)渠道的底坡i就稱(chēng)為臨界底坡ic。臨界底坡是為了計(jì)算或分析的方便而引入的一個(gè)特定坡度緩坡（i<ic）：即實(shí)際的明渠底坡小于某一流量下的臨界坡度，此時(shí)的渠底坡度稱(chēng)為緩坡。陡坡（i>ic）：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(chēng)為陡坡。臨界坡（i=ic）：即實(shí)際的明渠底坡等于某一流量下的臨界坡度，此時(shí)的渠底坡度稱(chēng)為臨界坡。四、明渠水流的流態(tài)及判別標(biāo)準(zhǔn)緩流：i＜ic，h＞hc，v＜vc急流：i＞ic，h＜hc，v＞

vc臨界流：i=ic，h=hc，v=

vc緩流、急流、臨界流的判別標(biāo)準(zhǔn)：Fr——弗勞德數(shù)，以平均水深為特征長(zhǎng)度的無(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)（1）（2）（3）（4）（5）緩流：急流：臨界流：注：（1）、（2）、（3）、（5）適用于均勻流或非均勻流，（4）只適用于均勻流。明渠流態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)如下：例題1：一梯形斷面明渠均勻流，已知底寬b=3m，水深h=0.8m，m=1.5，n=0.03，i=0.0005，水溫20C（=0.0101cm2/s），判斷此水流為紊流或?qū)恿?，急流或緩流？解：A=(b+mh)h=(3+1.5×0.8)×0.8=3.36m2所以水流為紊流。水面寬B=b+2mh=3+2×1.5×0.8=5.4m所以水流為緩流。第五節(jié)棱柱形渠道非均勻漸變流水面曲線分析明渠非均勻流：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)生了明渠非均勻流動(dòng)。非均勻流(壅水曲線）原均勻流水面h0i<ic明渠非均勻流的水力特點(diǎn)：渠道底坡i，水面坡度Jp和水力坡度J不相等，即一、棱柱形渠道非均勻漸變流微分方程2zh00z+dzh+dhdhldss112以o-o為基準(zhǔn)面，列斷面1-1和2-2的能量方程：

忽略局部水頭損失：dhl=dhf=Jds底坡：化簡(jiǎn)后得到棱柱形渠道中水深沿程變化規(guī)律的基本微分方程：2)流量Q下，水流為均勻流時(shí)的流量模數(shù)K03)1)近似按均勻流計(jì)算二、水面曲線的定性分析1、明渠流的分區(qū)ic>i>0NNCChch01區(qū)2區(qū)3區(qū)均勻流的正常水深線N-N，臨界水深線C-C線1區(qū)：且2區(qū)：或3區(qū)：

且2、正坡渠道（i>0）1）緩坡渠道（ic>i>0）1區(qū)K＞K0Fr＜1dh/ds＞0水面曲線的水深沿程增加——壅水曲線極限情況即曲線上游以正常水深線N-N為漸近線；上游：即曲線下游以水平線為漸近線。下游：2區(qū)dh/ds＜0水面曲線的水深沿程減小——降水曲線極限情況上游：下游：以正常水深線N-N為漸近線水深急劇降低，發(fā)生水跌3區(qū)dh/ds＞0水面曲線的水深沿程增加——壅水曲線極限情況上游：下游：水深受出流條件控制水深急劇增加，發(fā)生水躍h0hcCCNN水平線M1M2M3緩坡渠道（ic>i>0）2）陡坡渠道（i>ic>0）hch0CCNN水平線S1S2S3（同理分析）3）臨界坡渠道（i=ic>0）h0=hcC(N)C3C(N)C1流動(dòng)只有在1區(qū)和3區(qū)，只存在C1型壅水曲線和C3型壅水曲線3、平坡渠道（i=0）

只有臨界水深線C-C，將流動(dòng)分為2區(qū)和3區(qū)，分別為：H2型降水曲線和H3型壅水曲線。hcH3H2CC4、逆坡渠道（i<0）

只有臨界水深線C-C，將流動(dòng)分為2區(qū)和3區(qū)，水面線分為：A2型降水曲線和A3型壅水曲線。hcA3A2CC三、水面曲線的特點(diǎn)分析（見(jiàn)書(shū)）四、水面曲線的定性繪制步驟

1）繪出N-N線和C-C線，將流動(dòng)空間分成1、2、3三區(qū)，每個(gè)區(qū)域只相應(yīng)一種水面曲線。

2）選擇控制斷面?？刂茢嗝鎽?yīng)選在水深為已知，且位置確定的斷面上，然后以控制斷面為起點(diǎn)進(jìn)行分析，確定水面曲線的類(lèi)型，并參照其增深、減深的形狀和邊界情況，進(jìn)行描繪。

3）如果水面曲線中斷，出現(xiàn)了不連續(xù)而產(chǎn)生水跌或水躍時(shí)，要作具體分析，一般情況下，水流至跌坎處便形成跌水現(xiàn)象，水流從急流到緩流，便發(fā)生水躍現(xiàn)象。例1：i1<ici2>ic

CCN1N1N2N2M2s2BB例2：P181例3：變底坡水面曲線的連接第六節(jié)水躍和水跌一、水躍（HydraulicJump）明渠水流從急流狀態(tài)過(guò)渡到緩流狀態(tài)時(shí)，水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。如閘下出流。水躍的分區(qū)：CCv1v2

水躍區(qū)域h'h"

急流區(qū)

緩流區(qū)

旋滾區(qū)

水躍長(zhǎng)度

主流區(qū)

水躍高度

旋滾區(qū)：水躍區(qū)域的上部呈飽攙空氣的表面旋滾似的水渦。

主流區(qū)：水躍區(qū)域下部為在鉛直平面內(nèi)急劇擴(kuò)張前進(jìn)的水流。水躍的形式:臨界水躍:當(dāng)hc0=ht時(shí)，水躍的躍首剛好發(fā)生在收縮斷面上，躍后水深等于下游水深。遠(yuǎn)離式水躍：當(dāng)hc0>ht時(shí)，水躍發(fā)生在收縮斷面之后，躍后水深大于下游水深。淹沒(méi)水躍：當(dāng)hc0<ht時(shí)，水躍淹沒(méi)收縮斷面，躍后水深小于下游水深。ht<h"c0ht=hc0"

ht>hc0"

v0hc0cc二、水跌（HydraulicDrop

）明渠水流從緩流過(guò)渡到急流，水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。常見(jiàn)于渠道底坡由緩坡突然變?yōu)槎钙禄蛳掠吻罃嗝嫘螤钔蝗桓淖兲?。heeminNNCh0hcC跌坎上水面的降落，應(yīng)符合總機(jī)械能沿程減小，末端斷面機(jī)械能最小E=Emin的規(guī)律。所以跌坎處水深為臨界水深。第七節(jié)明渠非均勻漸變流水面曲線的計(jì)算數(shù)值積分法只適用于粗糙系數(shù)n、渠道底坡i及斷面形狀不變的棱柱形渠道hh2h1hnhn+1分段求和法：首先將整個(gè)流程l分成若干流段（l）考慮，然后用有限差分式來(lái)代替原來(lái)的微分方程式，最后根據(jù)有限差分式求得所需的水力要素。分段求和法對(duì)棱柱形、非棱柱形渠道都適用計(jì)算步驟：1、確定控制斷面，已知起始水深h1，假定相鄰斷面水深h2，算出△Es和，得到第一個(gè)分段長(zhǎng)度△l1。(定性判斷水面曲線的類(lèi)型)2、以△l1處的斷面水深作為下一分段的起始水深，用同樣方法得到第二個(gè)分段長(zhǎng)度△l2。3、依次計(jì)算，直至各分段長(zhǎng)度總和等于渠道總長(zhǎng)。4、根據(jù)各分段長(zhǎng)度和相應(yīng)斷面水深，定量繪制水面曲線。例題P182第八節(jié)堰流

一、堰流及其特征1．堰和堰流

堰：在明渠緩流中設(shè)置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，這障壁就稱(chēng)為堰。堰流（WeirFlow）：緩流越過(guò)阻水的堰墻溢出流動(dòng)的局部水流現(xiàn)象稱(chēng)為堰流。研究堰流的主要目的：探討流經(jīng)堰的流量Q及與堰流有關(guān)的特征量之間的關(guān)系。HPV0ZhP'水舌L=(3~5)H堰流的基本特征量：1、堰上水頭H；2、堰寬b；3、上游堰高P、下游堰高P’；4、堰頂厚度；5、上、下游水位差Z；6、堰前行近流速V0。2、堰的分類(lèi)1）根據(jù)堰頂厚度與堰上水頭H的關(guān)系：堰薄壁堰（Thin-wallWeir）（/H<0.67）無(wú)沿程水頭損失hf。實(shí)用堰（OgeeWeir）（0.67</H<2.5）一次跌落，可忽略hf。寬頂堰（Broad-crestWeir）（2.5</H<10）二次跌落，可忽略hf。2）根據(jù)上游渠道寬度B與堰寬b的關(guān)系：BHb堰側(cè)收縮堰（b<B）無(wú)側(cè)收縮堰（b=B）3）按下游水位是否影響堰流的性質(zhì)：堰自由式堰流（不影響）淹沒(méi)式堰流（影響）二、寬頂堰溢流1、自由式無(wú)側(cè)收縮寬頂堰主要特點(diǎn)：進(jìn)口不遠(yuǎn)處形成一收縮水深h，此收縮水深小于堰頂斷面的臨界水深hc（堰上水流呈急流狀態(tài)），以后形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，水面在堰尾第二次下降。112v0h2PHH0vcchchs自由出流列1-1，2-2斷面能量方程：令則令k=h/H0，則得寬頂堰的流量公式：式中：——堰進(jìn)口處的局部水頭損失；——流速系數(shù)

m——堰流量系數(shù)。一般地，m值在0.32~0.385之間。2、淹沒(méi)的影響

112v0h2PHH0vcchchs淹沒(méi)出流Q堰上水流呈緩流狀態(tài)

判別條件：淹沒(méi)溢流由于受下游水位的頂托，堰的過(guò)流能力降低。淹沒(méi)的影響用淹沒(méi)系數(shù)表示，隨淹沒(méi)程度的增大而減小。3、側(cè)收縮的影響

堰寬小于上游渠道寬b＜B，堰的過(guò)流能力降低。側(cè)收縮的影響用收縮系數(shù)ε表示

三、薄壁堰和實(shí)用堰溢流(自學(xué))第九節(jié)小橋孔徑的水力計(jì)算小橋孔過(guò)流的水力現(xiàn)象與寬頂堰相同。小橋孔計(jì)算的主要問(wèn)題：已知橋孔通過(guò)的設(shè)計(jì)流量Q，橋孔下面的斷面形式尺寸，設(shè)計(jì)橋孔孔徑B和橋孔長(zhǎng)度L，驗(yàn)算橋前的壅水水位。一、小橋孔橋下出流形式的判別1）確定下游河槽天然水深ht天然水深即為對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)流量Q下均勻流的正常水深h0

。2）確定橋孔下臨界水深hc橋孔下的臨界流速vc不大于允許（沖刷）流速vs，則平均臨界水深矩形橋孔斷面寬梯形橋孔斷面3）橋孔下出流情況的判別a、時(shí)，為自由出流，橋下水深hq≤hc；b、時(shí)，為淹沒(méi)出流，橋下水深hq=ht。hchtH自由出流hqhchtH淹沒(méi)出流hq二、確定橋孔孔徑B（針對(duì)矩形）和橋孔長(zhǎng)度L1）橋孔孔徑B（相應(yīng)于橋下臨界水深hc的水面寬度Bc）橋孔下水流為淹沒(méi)出流時(shí)若被設(shè)計(jì)為多孔時(shí)，則式中：Q——設(shè)計(jì)流量；

d——中墩迎水流方向的寬度。n——中墩數(shù)目；——側(cè)