流體力學(xué)明渠流動演示文稿

流體力學(xué)明渠流動演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有69頁\編輯于星期五（優(yōu)選）流體力學(xué)明渠流動現(xiàn)在是2頁\一共有69頁\編輯于星期五人工渠道、天然河道以及未充滿水流的管道等統(tǒng)稱為明渠明渠流是一種具有自由表面的流動，自由表面上各點受當?shù)卮髿鈮旱淖饔?，其相對壓強為零，所以又稱為無壓流動。與有壓管流不同，重力是明渠流的主要動力，而壓力是有壓管流的主要動力?，F(xiàn)在是3頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠水流根據(jù)其水力要素是否隨時間變化分為恒定流和非恒定流動。明渠恒定流動又根據(jù)流線是否為平行直線分為均勻流和非均勻流。（流程）明渠流的自由表面會隨著不同的水流條件和渠身條件而變動，形成各種流動狀態(tài)和水面形態(tài)，在實際問題中，很難形成明渠均勻流。但是，在實際應(yīng)用中，如在鐵路、公路、給排水和水利工程的溝渠中，其排水或輸水能力的計算，常按明渠均勻流處理?，F(xiàn)在是4頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠的分類由于過水斷面形狀、尺寸與底坡的變化對明渠水流運動有重要影響，因此在水力學(xué)中把明渠分為以下類型。(1)棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是斷面形狀及尺寸沿程不變的長直渠道，稱為棱柱形渠道，否則為非棱柱形渠道。前者的過水斷面面積A僅隨水深h變化，即A=f(h)；后者的過水斷面面積不僅隨水深變化，而且還隨著各斷面的沿程位置而變化，即A=f(h,s)，s為過水斷面距其起始斷面的距離?，F(xiàn)在是5頁\一共有69頁\編輯于星期五(2)順坡(正坡)、平坡和逆坡(負坡)渠道明渠渠底線(即渠底與縱剖面的交線)上單位長度的渠底高程差，稱為明渠的底坡，用i表示，如圖，1-1和2-2兩斷面間，渠底線長度為Δs，該兩斷面間渠底高程差為(a1-a2)=Δa，渠底線與水平線的夾角為θ，則底坡i為。現(xiàn)在是6頁\一共有69頁\編輯于星期五在水力學(xué)中，規(guī)定渠底高程順水流下降的底坡為正當渠底坡較小時，例如i＜0.1或θ＜6°時，因兩斷面間渠底線長度Δs，與兩斷面間的水平距離Δl，近似相等，Δs≈Δl，則由圖可知在上述情況下，兩斷面間的距離Δs可用水平距離Δl代替，并且，過水斷面可以看作鉛垂平面，水深h也可沿鉛垂線方向量取?，F(xiàn)在是7頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠底坡可能有三種情況(如圖)。渠底高程沿流程下降的，稱為順坡(或正坡)，規(guī)定i＞0；渠底高程沿流程保持水平的，稱為平底坡，i=0；渠底高程沿流程上升的，稱為逆坡(或負坡)，規(guī)定i＜0。現(xiàn)在是8頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠均勻流的特征和形成條件

(1)過水斷面的形狀和尺寸、流速分布、流量和水深，沿流程都不變(2)總水頭線、測管水頭線(在明渠水流中，就是水面線，其坡度以Jw表示)。和渠底線都互相平行(圖)，因而它們的坡度相等現(xiàn)在是9頁\一共有69頁\編輯于星期五根據(jù)上述明渠恒定均勻流的各種特性，可見只有同時具備下述條件，才能形成明渠恒定均勻流：(1)明渠中水流必須是恒定的，流量沿程不變；(2)明渠必須是棱柱形渠；(3)明渠的糙率必須保持沿程不變；(4)明渠的底坡必須是順坡，同時應(yīng)有相當長的而且其上沒有建筑物的順直段。只有在這樣長的順直段上而又同時具有上述三條件時才能發(fā)生均勻流?，F(xiàn)在是10頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠均勻流的基本公式

明渠恒定均勻流，可采用謝才公式計算：對于明渠恒定均勻流，由于J=i，所以上式可寫為Q=Av=AC式中K為流量模數(shù)現(xiàn)在是11頁\一共有69頁\編輯于星期五上式中謝才系數(shù)C可以用曼寧公式計算。將曼寧公式代入謝才公式中便可得到謝才系數(shù)C是反映斷面形狀尺寸和粗糙程度的一個綜合系數(shù)，它與水力半徑R和粗糙系數(shù)n有關(guān)。而n值的影響比R值的影響大的多。一般的工程計算，可以根據(jù)附錄中的表格來查取n值。重要的工程需要進行實驗來確定。現(xiàn)在是12頁\一共有69頁\編輯于星期五水力最優(yōu)斷面和允許流速

從水力學(xué)的角度考慮，最感興趣的一種情況是：在流量、底坡、糙率已知時，設(shè)計的過水斷面形式具有最小的面積；或者在過水斷面面積、底坡、糙率已知時，設(shè)計的過水斷面形式能使渠道通過的流量為最大。這種過水斷面稱為水力最優(yōu)斷面

現(xiàn)在是13頁\一共有69頁\編輯于星期五Q=

所以要在給定的過水斷面積上使通過的流量為最大，過水斷面的濕周就必須為最小。從幾何學(xué)知，在各種明渠斷面形式中最好地滿足這一條件的過水斷面為半圓形斷面(水面不計入濕周)，因此有些人工渠道(如小型混凝土渡槽)的斷面設(shè)計成半圓形或U形，但由于地質(zhì)條件和施工技術(shù)、管理運用等方面的原因，渠道斷面常常不得不設(shè)計成其它形狀。下面對土質(zhì)渠道常用的梯形斷面討論其水力最優(yōu)條件?，F(xiàn)在是14頁\一共有69頁\編輯于星期五梯形斷面的濕周χ=b+2h

邊坡系數(shù)m已知，由于面積A給定，b和h相互關(guān)聯(lián)，b=A/h–mh，所以χ=在水力最優(yōu)條件下應(yīng)有得到水力最優(yōu)的梯形斷面的寬深比條件

現(xiàn)在是15頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是16頁\一共有69頁\編輯于星期五渠道的允許流速

一條設(shè)計得合理的渠道，除了考慮上述水力最佳條件及經(jīng)濟因素外，還應(yīng)使渠道的設(shè)計流速不應(yīng)大到使渠床遭受沖刷，也不可小到使水中懸浮的泥沙發(fā)生淤積，而應(yīng)當是不沖、不淤的流速。因此在設(shè)計中，要求渠道流速v在不沖、不淤的允許流速范圍內(nèi)，即v″＜v＜v′

v′——免遭沖刷的最大允許流速，簡稱不沖允許流速；

v″——免受淤積的最小允許流速，簡稱不淤允許流速?，F(xiàn)在是17頁\一共有69頁\編輯于星期五明渠均勻流的水力計算

明渠均勻流的水力計算，可分為兩類：一類是對已建成的渠道，根據(jù)生產(chǎn)運行要求，進行某些必要的水力計算，例如，求流量；求某渠段水流的水力坡度J(=i)；求某渠段通水后的糙率；繪制渠道運用期間的水深流量關(guān)系曲線等。另一類是為設(shè)計新渠道進行水力計算，如確定底寬b，水深h，底坡i等等。這兩類計算，都是如何應(yīng)用明渠均勻流基本公式的問題

現(xiàn)在是18頁\一共有69頁\編輯于星期五由明渠均勻流計算的基本公式和梯形斷面各水力要素的計算公式可得Q===

從上式中可看出Q=f(b,h,m,n,i)。已知五個數(shù)據(jù)，用上式可求另一個未知數(shù)，有時可從上式中直接求出，有時則要求解復(fù)雜的高次方程，相當困難。為此，將兩類問題從計算方法角度加以統(tǒng)一研究。只要掌握這些方法，就能順利進行明槽均勻流的各項水力計算?，F(xiàn)在是19頁\一共有69頁\編輯于星期五直接求解法

如果已知其它五個數(shù)值，要求流量Q，或要求糙率n，或要求底坡i，只要應(yīng)用基本公式，進行簡單的代數(shù)運算，就可直接求得解答。例：有一預(yù)制的混凝土陡槽，斷面為矩形，底寬b=1.0m，底坡i=0.005，均勻流水深h=0.5m，糙率n=0.014，求通過的流量及流速?，F(xiàn)在是20頁\一共有69頁\編輯于星期五解矩形斷面，邊坡系數(shù)m=0，代入基本公式得Q===Q==v==現(xiàn)在是21頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是22頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是23頁\一共有69頁\編輯于星期五試算法

如果已知其它五個數(shù)值，要求水深h，或要求底寬b，則因為在基本公式中表達b和h的關(guān)系式都是高次方程，不能采用直接求解法，而只能采用試算法。試算法作法如下：假設(shè)若干個h值，代入基本公式，計算相應(yīng)的Q值；若所得的Q值與已知的相等，相應(yīng)的h值即為所求。實際上，試算第一、二次常不能得結(jié)果。為了減少試算工作，可假設(shè)3至5個h值，即h1，h2，h3…h(huán)5，求出相應(yīng)的Q1，Q2，Q3…Q5，畫成Q=f(h)曲線。然后從曲線上由已知的Q定出h。若要求的是b，則和求h的試算法一樣。此時畫的曲線是Q=f(b)。現(xiàn)在是24頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是25頁\一共有69頁\編輯于星期五

堰流

堰流屬于急變流的范疇，其水頭損失以局部水頭損失為主，沿程水頭損失往往忽略不計。這種水流形式在實際工程中應(yīng)用極其廣泛，如在水利工程中，常用作引水灌溉、泄洪的水工建筑物；在給排水工程中，堰流是常用的溢流設(shè)備和量水設(shè)備；在交通土建工程中，寬頂堰流理論是小橋涵孔水力計算的基礎(chǔ)。現(xiàn)在是26頁\一共有69頁\編輯于星期五堰流及其分類

無壓緩流經(jīng)障壁溢流時，上游發(fā)生壅水，然后水面降落，這一局部水流現(xiàn)象稱為堰流。障壁稱為堰。障壁對水流具有兩種形式的作用，其一是側(cè)向收縮，例如橋涵；其二是底壩的約束，如閘壩等水工建筑物。

現(xiàn)在是27頁\一共有69頁\編輯于星期五表征堰流的特征量有：堰寬b，即水流漫過堰頂?shù)膶挾龋谎咔八^H，即堰上游水位在堰頂上的最大超高；堰壁厚度δ和它的剖面形狀；下游水深h及下游水位高出堰頂?shù)母叨圈ぃ谎呱?、下游高P及P′；行近流速v0等。根據(jù)堰流的水力特點，可按的大小將堰劃分為三種基本類型。的大小將堰劃分為三種基本類型。

現(xiàn)在是28頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是29頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是30頁\一共有69頁\編輯于星期五堰流的基本公式

=為計及行近流速的堰流流量系數(shù)影響流量系數(shù)的主要因素是φ、k、ξ，即m=現(xiàn)在是31頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是32頁\一共有69頁\編輯于星期五薄壁堰

現(xiàn)在是33頁\一共有69頁\編輯于星期五淹沒式薄壁堰淹沒系數(shù)可用巴贊公式

現(xiàn)在是34頁\一共有69頁\編輯于星期五寬頂堰流

許多水工建筑物的水流性質(zhì)，從水力學(xué)的觀點來看，一般都屬于寬頂堰流。例如，小橋橋孔的過水，無壓短涵管的過水，水利工程中的節(jié)制閘、分洪閘、泄水閘，灌溉工程中的進水閘、分水閘、排水閘等，當閘門全開時都具有寬頂堰的水力性質(zhì)。因此，寬頂堰理論與水工建筑物的設(shè)計有密切的關(guān)系。寬頂堰上的水流現(xiàn)象是很復(fù)雜的。根據(jù)其主要特點，抽象出的計算圖形如圖8-9(自由式)及圖8-10(淹沒式)所示?，F(xiàn)在是35頁\一共有69頁\編輯于星期五寬頂堰上的水流主要特點，可以認為：自由式寬頂堰流在進口不遠處形成一收縮水深h1(即水面第一次降落)，此收縮水深h1小于堰頂斷面的臨界水深hk，形成流線近似平行于堰頂?shù)臐u變流，最后在出口(堰尾)水面再次下降(水面第二次降落)，如圖8-9所示。自由式無側(cè)收縮寬頂堰的流量計算可采用堰流基本公式現(xiàn)在是36頁\一共有69頁\編輯于星期五淹沒式無側(cè)收縮寬頂堰

通過實驗，可以認為淹沒式寬頂堰的充分條件是：淹沒式無側(cè)收縮頂堰的流量計算可采用

現(xiàn)在是37頁\一共有69頁\編輯于星期五側(cè)收縮寬頂堰

現(xiàn)在是38頁\一共有69頁\編輯于星期五例1

求流經(jīng)直角進口無側(cè)收縮寬頂堰的流量Q。已知堰頂水頭H=0.85m，坎高p=p′=0.50m，堰下游水深h=1.10m，堰寬b=1.28m，取動能修正系數(shù)α=1.0?，F(xiàn)在是39頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是40頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是41頁\一共有69頁\編輯于星期五小橋孔徑水力計算

現(xiàn)在是42頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是43頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是44頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是45頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是46頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是47頁\一共有69頁\編輯于星期五作業(yè)7－47－57－128－1現(xiàn)在是48頁\一共有69頁\編輯于星期五

滲流

液體在孔隙介質(zhì)中的流動稱為滲流。在水利工程中，孔隙介質(zhì)指的是土壤、沙石、巖基等多孔介質(zhì)，水力學(xué)所研究的滲流，主要為水在土壤中的流動。地下水運動是常見的滲流實例。滲流理論除了應(yīng)用于水利、化工、地質(zhì)、采掘等生產(chǎn)建設(shè)部門外，在土建方面的應(yīng)用可列舉以下幾種：在給水方面，有井和集水廊道等集水建筑物的設(shè)計計算問題?，F(xiàn)在是49頁\一共有69頁\編輯于星期五

(2)在排灌工程方面，有地下水位的變動、渠道的滲漏損失以及壩體和渠道邊坡的穩(wěn)定等方面的問題。(3)在水工建筑物，特別是高壩的修建方面，有壩身的穩(wěn)定、壩身及壩下的滲透損失等方面的問題。(4)在建筑施工方面，需確定圍堰或基坑的排水量和水位降落等方面的問題。現(xiàn)在是50頁\一共有69頁\編輯于星期五水在土壤中的狀態(tài)根據(jù)水在巖土孔隙中的狀態(tài)，可分為氣態(tài)水、附著水、薄膜水、毛細水和重力水。氣態(tài)水以水蒸汽的狀態(tài)混合在空氣中而存在于巖土孔隙內(nèi)，數(shù)量很少，一般都不考慮。附著水以分子層吸附在固體顆粒表面，呈現(xiàn)出固態(tài)水的性質(zhì)。薄膜水以厚度不超過分子作用半徑的膜層包圍著土壤顆粒，其性質(zhì)和液態(tài)水近似。附著水和薄膜水都是在固體顆粒與水分子相互作用下形成的，其數(shù)量很少，很難移動，在滲流中一般也不考慮。毛細水由于毛細管作用而保持在巖土微孔隙中，除特殊情況外，一般也可忽略。當巖土含水量很大時，除少量液體吸附在固體顆粒四周和毛細區(qū)外，大部分液體將在重力作用下運動，稱為重力水。本章研究的對象僅為重力水在土壤中的運動規(guī)律?，F(xiàn)在是51頁\一共有69頁\編輯于星期五巖土分類及其滲透性質(zhì)

(1)均質(zhì)巖土滲透性質(zhì)與空間位置無關(guān)，分成：①各向同性巖土，其滲透性質(zhì)與滲流的方向無關(guān)，例如沙土。②各向異性巖土，滲流性質(zhì)與滲流方向有關(guān)，例如黃土、沉積巖等。(2)非均質(zhì)巖土滲透性質(zhì)與空間位置有關(guān)。以下僅討論一種最簡單的滲流——在均質(zhì)各向同性巖土中的重力水的恒定滲流?，F(xiàn)在是52頁\一共有69頁\編輯于星期五滲流基本定律

自然土壤的顆粒，在形狀和大小上相差懸殊，顆粒間孔隙形成的通道，在形狀、大小和分布上也很不規(guī)則，具有隨機性質(zhì)。滲流在土壤孔隙通道中的運動是很復(fù)雜的，在工程中常用統(tǒng)計的方法，采用某種平均值來描述滲流，即以理想的、簡化了的滲流來代替實際的、復(fù)雜的滲流。圖為一滲流試驗裝置。豎直圓筒內(nèi)充填沙粒，圓筒橫斷面面積為A，沙層厚度為l。沙層由金屬細網(wǎng)支托。水由穩(wěn)壓箱經(jīng)水管A流入圓筒中，再經(jīng)沙層從出水管B流出，其流量采用體積法(量筒C)量測。在沙層的上下兩端裝有測壓管以量測滲流的水頭損失，由于滲流的動能很小，可以忽略不計，因此測壓管水頭差H1-H2即為滲流在兩斷面間的水頭損失。現(xiàn)在是53頁\一共有69頁\編輯于星期五由此實驗看出，流經(jīng)土壤空隙間的液體質(zhì)點，雖各有其極不規(guī)則的形式，但就其總體而言，其主流方向卻是向下的?，F(xiàn)在是54頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是55頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是56頁\一共有69頁\編輯于星期五式(9-2-4)是以斷面平均流速v表達的達西定律，為了分析的需要，將它推廣至用滲流流速u來表達。圖9-2-2表示處在兩個不透水層中的有壓滲流，ab表示任一元流，在M點的測壓管坡度為J=現(xiàn)在是57頁\一共有69頁\編輯于星期五滲流系數(shù)的確定

滲流系數(shù)k的大小對滲流計算的結(jié)果影響很大。以下簡述其確定方法和常見土壤的概值。(1)經(jīng)驗公式法這一方法是根據(jù)土壤粒徑形狀、結(jié)構(gòu)、孔隙率和影響水運動粘度的溫度等參數(shù)所組成的經(jīng)驗公式來估算滲流系數(shù)k。這類公式很多，可用以作粗略估算。(2)實驗室方法這一方法是在實驗室利用類似圖9-2-1所示的滲流實驗裝置，并通過式(9-2-4)來計算k。此法施測簡易，但不易取得未經(jīng)擾動的土樣。(3)現(xiàn)場方法在現(xiàn)場利用鉆井或原有井作抽水或灌水試驗，根據(jù)井的公式計算k。現(xiàn)在是58頁\一共有69頁\編輯于星期五現(xiàn)在是59頁\一共有69頁\編輯于星期五地下水的均勻滲流和非均勻滲流

采用滲流模型后，可用研究管渠水流的方法將滲流分成均勻滲流和非均勻滲流。由于滲流服從達西定律，使?jié)B流的均勻流和非均勻流具有與明渠的均勻流和非均勻流所沒有的某些特點。1．恒定均勻滲流和非均勻漸變滲流流速沿斷面均勻分布在均勻滲流中，測壓管坡度(或水力坡度)為常數(shù)，由于斷面上的壓強為靜壓分布，則任一流線的測壓管坡度也是相同的，即均勻滲流區(qū)域中的任一點的測壓管坡度都是相同的。根據(jù)達西定律，則均勻滲流區(qū)域中任一點的滲流流速u都是相等的。換句話說，均勻滲流為均勻滲流流速場。u沿斷面當然也是均勻分布的。現(xiàn)在是60頁\一共有69頁\編輯于星期五至于非均勻漸變滲流，如圖9