第六章 無壓流動456789

一、斷面單位能量（Cross-sectionalUnitEnergy）0OO0zhzEsOzhJJP00i>0OEEsE是指當基準面0-0取在各斷面渠底最低高程時，單位重量流體所具有的機械能。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與單位重量流體機械能E的區(qū)別：1.E沿程是同一個基準面；而Es是通過各自斷面最低點為基準面，沿程基準面不相同。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）當棱柱形渠道（斷面形狀、尺寸不變）流量一定時，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、當水深很小，即h0，則Es，斷面單位能量曲線以橫坐標為漸近線。2、當水深很大，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，其對應水深為臨界水深hc。4、Esmin將曲線分上、下兩支：上支；下支，且相應于任一Es有兩個水深。二、臨界水深hc（Criticaldepth）是指在斷面形式和流量給定的條件下，相應斷面單位能量ES最小時的水深，則有（A為過流斷面面積、B為水面寬度）臨界水深的計算式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，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，則此時渠道的底坡i就稱為臨界底坡ic。臨界底坡是為了計算或分析的方便而引入的一個特定坡度緩坡（i<ic）：即實際的明渠底坡小于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為緩坡。陡坡（i>ic）：即實際的明渠底坡大于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為陡坡。臨界坡（i=ic）：即實際的明渠底坡等于某一流量下的臨界坡度，此時的渠底坡度稱為臨界坡。四、明渠水流的流態(tài)及判別標準緩流：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、臨界流的判別標準：Fr——弗勞德數(shù)，以平均水深為特征長度的無因次準則數(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)判別標準總結(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)恿鳎绷骰蚓徚?？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。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：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，水流為均勻流時的流量模數(shù)K03)1)近似按均勻流計算二、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、水面曲線的特點分析（見書）四、水面曲線的定性繪制步驟

1）繪出N-N線和C-C線，將流動空間分成1、2、3三區(qū)，每個區(qū)域只相應一種水面曲線。

2）選擇控制斷面。控制斷面應選在水深為已知，且位置確定的斷面上，然后以控制斷面為起點進行分析，確定水面曲線的類型，并參照其增深、減深的形狀和邊界情況，進行描繪。

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，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)過渡到緩流狀態(tài)時，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)急劇擴張前進的水流。水躍的形式:臨界水躍:當hc0

=ht時，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。遠離式水躍：當hc0

>ht時，水躍發(fā)生在收縮斷面之后，躍后水深大于下游水深。淹沒水躍：當hc0

<ht時，水躍淹沒收縮斷面，躍后水深小于下游水深。ht<h"c0ht=hc0"

ht>hc0"

v0hc0cc二、水跌（HydraulicDrop

）明渠水流從緩流過渡到急流，水面急劇降落的局部水力現(xiàn)象。常見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帯eeminNNCh0hcC跌坎上水面的降落，應符合總機械能沿程減小，末端斷面機械能最小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：首先將整個流程l分成若干流段（

l）考慮，然后用有限差分式來代替原來的微分方程式，最后根據(jù)有限差分式求得所需的水力要素。分段求和法對棱柱形、非棱柱形渠道都適用計算步驟：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，得到第一個分段長度△l1。(定性判斷水面曲線的類型)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分段長度△l2。3、依次計算，直至各分段長度總和等于渠道總長。4、根據(jù)各分段長度和相應斷面水深，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：在明渠緩流中設置障壁，它既能壅高渠中的水位，又能自然溢流，這障壁就稱為堰。堰流（WeirFlow）：緩流越過阻水的堰墻溢出流動的局部水流現(xiàn)象稱為堰流。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。HP

V0ZhP'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