第一講：明渠水流的流態(tài)

水力分析與計(jì)算主講人：沈漢明渠水流的流態(tài)明渠水流的流態(tài)明渠非均勻流概述明渠水流的三種流態(tài)明渠水流流態(tài)的判別方法一、明渠非均勻流概述人工渠道或天然河道中的水流絕大多數(shù)是非均勻流。明渠非均勻流的特點(diǎn)：

底坡線、水面線、總水頭線彼此互不平行。一、明渠非均勻流概述產(chǎn)生明渠非均勻流的原因：明渠橫斷面的幾何形狀或尺寸沿程改變；粗糙度或底坡沿流程改變；明渠中修建人工建筑物（閘、橋梁、涵洞等）。一、明渠非均勻流概述明渠非均勻流分類：

明渠漸變流：

如果明渠非均勻流的流線間夾角較小，曲率半徑較大，稱為明渠漸變流；反之為明渠急變流。本節(jié)課重點(diǎn)研究明渠中恒定非均勻漸變流的流態(tài)及判別方法。明渠非均勻流非均勻漸變流非均勻急變流二、明渠水流的三種流態(tài)與有壓流不同，明渠水流特有的水流流態(tài)為：緩流、臨界流、急流。緩流流速小，水勢(shì)平穩(wěn)，遇到障礙物時(shí)水位向上壅高而在障礙物處往下跌落的水流。急流流速大，水流湍急，遇到障礙物時(shí)一躍而過，上游水面不受影響的水流。臨界流介于緩流與急流之間的一種水流臨界水流狀態(tài)。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（1）干擾波速判別法在生活中大家會(huì)觀察到這樣一種現(xiàn)象，在平靜的湖面上投一顆石子，水面將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)干擾波，而且這個(gè)波動(dòng)以石子的著水點(diǎn)為中心，以一定的速度vw，向四周傳播。平靜水面上干擾波的波形是半徑不等的同心圓，如圖所示。如果在流動(dòng)的水中投一顆石子、設(shè)水流的斷面平均流速為v，那么水面波的傳播速度應(yīng)是水流的速度與波速的矢量和。由上面的分析可知，要判別水流的流態(tài)，不僅需要知道水流的斷面平均流速，還必須確定干擾波的相對(duì)波速。由能量方程可推出:明渠中干擾波傳播的相對(duì)波速計(jì)算公式為vw=。那么對(duì)于干擾波速判別法(又稱流速判別法)，比較水流斷面平均流速v和干擾波傳播的相對(duì)波速vw的大小，可判別水流的流態(tài)，方法如下：三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（1）干擾波速判別法當(dāng)v<vw時(shí)，水面干擾波能向上游傳播，明渠水流為緩流;當(dāng)v>vw時(shí)，水面干擾波不能向上游傳播，明渠水流為急流;

當(dāng)v=vw時(shí)，水面干擾波不能向上游傳播，但處于臨界狀態(tài)，明渠水流為臨界流。當(dāng)Fr＜1，水流為緩流；當(dāng)Fr＝1，水流為臨界流；當(dāng)Fr＞1，水流為急流。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（2）佛汝德數(shù)判別法佛汝德數(shù)的物理意義：是過水?dāng)嗝鎲挝恢亓恳后w平均動(dòng)能與平均勢(shì)能之比的二倍開平方。佛汝德數(shù)的力學(xué)意義：是代表水流的慣性力和重力兩種作用的對(duì)比關(guān)系。引入佛汝德數(shù)：三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（3）臨界水深判別法引入斷面比能概念如圖所示，明渠的底坡與水平面的夾角為θ，水流為非均勻漸變流。任取一過水?dāng)嗝?，設(shè)水深為h、流速為v。若以過水?dāng)嗝孀畹忘c(diǎn)的水平面為基準(zhǔn)面，以水面為代表點(diǎn)，斷面上單位重量的液體所具有的機(jī)械能，稱為斷面單位能量或斷面比能，以Es表示。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（3）臨界水深判別法當(dāng)流量Q和渠道過水?dāng)嗝娴男螤詈统叽缫欢〞r(shí)，斷面比能僅是水深h的函數(shù)。斷面比能曲線是對(duì)某一固定斷面而言的，且與流量有關(guān)。對(duì)于同一斷面，不同流量可以得出不同的比能曲線及相應(yīng)的臨界水深。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（3）臨界水深判別法將斷面比能函數(shù)對(duì)水深h求一階導(dǎo)數(shù)。發(fā)現(xiàn)斷面比能最小時(shí)，F(xiàn)r=1，這就是臨界流，對(duì)應(yīng)的水深為臨界水深，用hk表示。因此，把斷面比能最小值Emin所對(duì)應(yīng)的水深稱為臨界水深，用hk表示。圖中，臨界水深在比能曲線上所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)C將比能曲線分成上、下兩支，曲線上半支隨水深h的增大，斷面比能增大，即導(dǎo)數(shù)>0，F(xiàn)r<1，為緩流;曲線下半支隨水深h的增大，斷面比能減小，即導(dǎo)數(shù)<0,Fr>1，為急流。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（3）臨界水深判別法因此通過計(jì)算并比較水流斷面水深h與臨界水深hk的大小，可判別水流的流態(tài)，方法如下:當(dāng)h>hk,明渠水流為緩流;當(dāng)h<hk，明渠水流為急流;當(dāng)h=hk，明渠水流為臨界流。三、明渠水流流態(tài)的判別方法——（4）臨界底坡判別法臨界底坡判別法僅適用于一定流量下的明渠均勻流流態(tài)的判別。計(jì)算一定流量下明渠的臨界底坡i，并與明渠實(shí)際底坡i比較，可判別明渠均勻流流態(tài)，方法如下:當(dāng)i<ik時(shí)，明渠水流正常水深h0>hk,均勻流為緩流;當(dāng)i>ik時(shí)，明渠水流正常水深h0<hk，均勻流為急流;當(dāng)i=ik時(shí)，明渠水流正常水深h0=hk，均勻流為臨界流。小結(jié)