工程流體力學(xué)6明渠水流的兩種流態(tài)及其轉(zhuǎn)換ppt課件

1、第六章第六章 明明 渠渠 均均 勻勻 流流第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 明渠均勻流特性及公式明渠均勻流特性及公式第三節(jié)第三節(jié) 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面及允許流速第四節(jié)第四節(jié) 無(wú)壓圓管均勻流無(wú)壓圓管均勻流基本內(nèi)容基本內(nèi)容1 1、了解明槽水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概、了解明槽水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和念，掌握明槽底坡的概念和梯形斷面明渠的幾何特征和水力要素。水力要素。2 2、了解明槽均勻流的特點(diǎn)和形成條件，熟練掌握明槽、了解明槽均勻流的特點(diǎn)和形成條件，熟練掌握明槽均勻流公式，并能應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。均勻

2、流公式，并能應(yīng)用它來(lái)進(jìn)行明渠均勻流水力計(jì)算。3 3、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最、理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學(xué)會(huì)正確選擇明渠的糙率渠的糙率n n值。值。4 4、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)、掌握明槽均勻流水力設(shè)計(jì)的類型和計(jì)算方法，能進(jìn)行過(guò)流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。行過(guò)流能力和正常水深的計(jì)算，能設(shè)計(jì)渠道的斷面尺寸。教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn) 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠是人工修建或自然形

3、成的具有自由表面的渠槽。明渠水流分類：明渠水流分類：明渠恒定流明渠恒定流明渠非恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流 無(wú)無(wú)AAQCross section A-A人工渠道、天然河道以及未被液流所充滿的管道都是明渠流人工渠道、天然河道以及未被液流所充滿的管道都是明渠流. . 明渠流與有壓流區(qū)別明渠流與有壓流區(qū)別 有壓管流：有壓管流： 具有封閉的濕周；具有封閉的濕周； 壓力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。壓力是流?dòng)的主要?jiǎng)恿?。明渠流：明渠流?具有自由水面即水面壓強(qiáng)為大氣壓）；具有自由水面即水面壓強(qiáng)為大氣壓）； 重力是流動(dòng)的主要?jiǎng)恿?；重力是流?dòng)的主要?jiǎng)恿Γ?明渠水

4、面線即測(cè)壓管水頭線明渠水面線即測(cè)壓管水頭線一、明渠橫斷面一、明渠橫斷面1.1.天然河道的橫斷面天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地枯水期：水流過(guò)主槽枯水期：水流過(guò)主槽豐水期：水流過(guò)主槽和灘地豐水期：水流過(guò)主槽和灘地 灘灘 地地主主 槽槽 斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.2.人工明渠的橫斷面人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀分據(jù)渠道的斷面形狀分: :梯形、矩形、圓形、拋物線形等梯形、矩形、圓形、拋物線形等hbdh巖石中開(kāi)鑿或條石砌筑或混巖石中開(kāi)鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠凝土渠或木渠 矩形矩形排水管道或無(wú)壓隧道排水管道或無(wú)壓隧道 圓形圓形土質(zhì)地基土質(zhì)地基 梯形梯形mhbB

5、2hmhbhBbA)()2(212mhb212)(mhbhmhbRhbctgm bBhm1渠道底寬渠道底寬 b b渠中水深渠中水深 h h水面寬度水面寬度 B B過(guò)水?dāng)嗝婷娣e過(guò)水?dāng)嗝婷娣e A A水力半徑水力半徑 R R斷面寬深比斷面寬深比 邊坡系數(shù)邊坡系數(shù)m m：邊坡上高差為：邊坡上高差為1m1m的兩點(diǎn)間的水平距離的兩點(diǎn)間的水平距離土壤種類邊坡系數(shù)邊坡系數(shù) m粉砂3.05.3細(xì)沙2.53.5砂壤土2.02.5粘砂壤土粘砂壤土1.52.0粘土，密實(shí)黃土1.251.5卵石和砌石1.251.5半巖性的抗水的土壤0.51.25風(fēng)化的巖石0.250.5未風(fēng)化的巖石未風(fēng)化的巖石0.000.25 m m的大

6、小應(yīng)根據(jù)土的種類或護(hù)面情況而定，可查表的大小應(yīng)根據(jù)土的種類或護(hù)面情況而定，可查表二、明渠底坡二、明渠底坡 底坡底坡i i 渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡lziddsin 渠底線與水平線之間的夾角渠底線與水平線之間的夾角 如果用水平距離代替實(shí)際距離，如果用水平距離代替實(shí)際距離， 用垂直水深代替實(shí)際水深用垂直水深代替實(shí)際水深tgdldzix 明渠底坡有三種類型明渠底坡有三種類型 正順坡正順坡 i 0 渠底高程沿流程降低渠底高程沿流程降低 平平 坡坡 i = 0 渠底高程沿程不變渠底高程沿程不變負(fù)逆坡負(fù)逆坡 i 0 i = 0 i 0 i 0 v

7、 單位單位 m.sm.s? 糙率 n 值的確定天然河道中影響糙率天然河道中影響糙率 n n 值的因素值的因素 河床表面粗糙河床表面粗糙 斷面的不規(guī)則、平彎情況、斷面的不規(guī)則、平彎情況、 灘地交叉、河道阻礙情況灘地交叉、河道阻礙情況 河堤沙坡影響隨水深變化河堤沙坡影響隨水深變化 注注 意意: : 選擇時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏選擇時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。其選得偏小，渠道斷面尺寸偏 小，對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。小，對(duì)實(shí)際輸水能力影響較大。第三節(jié)第三節(jié) 水力最佳斷面水力最佳斷面 及允許流速及允許流速一、明渠水力最優(yōu)斷面一、明渠水力最優(yōu)斷面322135213211iAniARnQ水力最佳斷面：過(guò)流斷面的面

8、積、糙率、底坡一定水力最佳斷面：過(guò)流斷面的面積、糙率、底坡一定, , 通過(guò)的流量最大的斷面形狀通過(guò)的流量最大的斷面形狀當(dāng)當(dāng) Q = Q = 一定，要求：一定，要求：A Amin A Amin 當(dāng)當(dāng) A = A = 一定，要求：一定，要求：Q Qmax Q Qmax 面積、糙率、底坡一定面積、糙率、底坡一定, , 流量最大流量最大, ,要求要求R R最大最大 AR 半圓形斷面為水力最佳斷面。半圓形斷面為水力最佳斷面。梯形斷面的最佳寬深比，梯形斷面的最佳寬深比，Rm = hm / 2Rm = hm / 2矩形斷面的最佳寬深比，矩形斷面的最佳寬深比，bm = 2 hmbm = 2 hm“水力最佳不水

9、力最佳不是是 “ “技術(shù)經(jīng)濟(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)最佳最佳”)1(22mmhbmmmmmRhb42; 2綜合考慮水力最佳斷面不太合理綜合考慮水力最佳斷面不太合理 例如 一般土渠邊坡m 1， m 1000 0.8 1000 0.8本章作業(yè)本章作業(yè)習(xí)題習(xí)題 6.16.1，習(xí)題習(xí)題 6.26.2，習(xí)題習(xí)題 6.106.10，習(xí)題習(xí)題 6.86.8第七章第七章 明渠水流的流態(tài)明渠水流的流態(tài) 及其轉(zhuǎn)換及其轉(zhuǎn)換第一節(jié)第一節(jié) 緩流和急流緩流和急流第二節(jié)第二節(jié) 流態(tài)判別的方法流態(tài)判別的方法第三節(jié)第三節(jié) 水躍和水跌水躍和水跌第一節(jié)第一節(jié) 緩流和急流緩流和急流緩流：緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時(shí)，水面水流徐緩，遇到障礙物阻水

10、時(shí)，水面壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。常見(jiàn)于底坡平緩的渠道或枯水季節(jié)的平原河流中。常見(jiàn)于底坡平緩的渠道或枯水季節(jié)的平原河流中。急流：急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面水流湍急，遇到障礙物阻水時(shí)，水面僅在附近隆起，對(duì)上游來(lái)流無(wú)影響。僅在附近隆起，對(duì)上游來(lái)流無(wú)影響。常見(jiàn)于山丘和丘陵地區(qū)的陡槽、險(xiǎn)灘中。常見(jiàn)于山丘和丘陵地區(qū)的陡槽、險(xiǎn)灘中。第二節(jié)第二節(jié) 流態(tài)判別方法：流態(tài)判別方法： 1 1、波速、波速c c法、水流遇到障礙物后產(chǎn)生波法、水流遇到障礙物后產(chǎn)生波動(dòng)擾動(dòng)），擾動(dòng)產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波動(dòng)擾動(dòng)），擾動(dòng)產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。波速。v 靜止水靜止水 V=0V=

11、0ghcv 運(yùn)動(dòng)水運(yùn)動(dòng)水 V Vghvvcc2 2、弗勞德數(shù)法、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：弗勞德數(shù)：ghvcvFr 表征動(dòng)能表征動(dòng)能1Fr 緩流緩流1Fr 急流急流1Fr臨界流臨界流勢(shì)能動(dòng)能波速流速2222222hmgmvhgvhgvcvFr3 3、 斷面比能法斷面比能法z0h coshzz000vQ 上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準(zhǔn)面，上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準(zhǔn)面， 過(guò)水?dāng)嗝鎲挝灰褐氐目偰芰繛檫^(guò)水?dāng)嗝鎲挝灰褐氐目偰芰繛?2222gAaQhgavhEscoscos當(dāng)?shù)灼庐?dāng)?shù)灼? 6）較小的渠道，）較小的渠道，cos1cos1，那么，那么式中，式中，E s E s 為斷面比能斷面單位能量）為

12、斷面比能斷面單位能量）22222gAaQhgavhEs 比較 z0h coshzz000vQ0202zEgavpzEs l E E 和和 Es Es 兩者相差一個(gè)渠底高程，兩者相差一個(gè)渠底高程，EsEs與渠底高程無(wú)關(guān)與渠底高程無(wú)關(guān)l 流量一定時(shí)，流量一定時(shí)，Es Es 是斷面形狀、尺寸的函數(shù)是斷面形狀、尺寸的函數(shù)l 當(dāng)流量和斷面形狀一定時(shí)，當(dāng)流量和斷面形狀一定時(shí)，Es Es 是水深函數(shù)是水深函數(shù)l 例如，均勻流例如，均勻流d(,) 0d sEs0dd sEs斷面比能曲線斷面比能曲線 22222gAaQhgavhEs Esh漸近線漸近線1 1： 橫坐標(biāo)為漸近線橫坐標(biāo)為漸近線漸近線漸近線2 2：

13、坐標(biāo)軸成坐標(biāo)軸成4545直線直線 sEAh, sEAh, 0, 0hgAAaQgAaQhhhEsdddddd3222122232111FrhgavgABaQhEsdd1232 rFgABaQ 當(dāng)當(dāng) , 流態(tài)為臨界流流態(tài)為臨界流 min21, ssEEFr 1232 rFgABaQ 當(dāng)當(dāng) , 流態(tài)為臨界流流態(tài)為臨界流 min21, ssEEFr 臨界流方程臨界流方程 132kkBgAaQFrkkBAgaQ32 或或 Hk 為臨界水深為臨界水深ksshhEEFr ,1, min2Es minhhkEs0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs當(dāng)緩流緩流緩流緩流急流急流hE

14、s minhkEs臨界流臨界流0dd hEs0hEsdd0dd011 : 22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs當(dāng)急流急流緩流緩流急流急流hEs minhkEs臨界流臨界流0dd hEs0hEsdd斷面比能的變化規(guī)律斷面比能的變化規(guī)律h1h2Es2Es12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhhhhkEsh1h2Es2Es12121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k , if , ifssssEEhhhhEEhhhh4 4、臨界水深

15、及其計(jì)算、臨界水深及其計(jì)算 臨界流方程臨界流方程 kkkkBAgQBgAQFr3232or 1 矩形斷面明渠矩形斷面明渠 322gbQhk任意斷面的明渠任意斷面的明渠 為含為含hk 的高次隱函數(shù)式，不能直接求解的高次隱函數(shù)式，不能直接求解hk gQBAkk23 試算法、試算圖解法試算法、試算圖解法 Hk Hk 與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關(guān)，與與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關(guān)，與n n、i i 無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)kkkbhAbB,khh ：緩流，：緩流，khh ：急流：急流khh ：臨界流，：臨界流，在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量一定時(shí)，均勻流正常水深一定時(shí)，

16、均勻流正常水深 h0= hk h0= hk 時(shí)，所對(duì)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的渠底底坡稱為臨界底坡應(yīng)的渠底底坡稱為臨界底坡ikik。臨界底坡是一個(gè)假想底坡，與渠道實(shí)際底坡無(wú)關(guān)，臨界底坡是一個(gè)假想底坡，與渠道實(shí)際底坡無(wú)關(guān)，僅與渠道流量?jī)H與渠道流量Q Q、糙率、糙率n n、斷面形狀尺寸有關(guān)、斷面形狀尺寸有關(guān). .5 5、臨界坡度法、臨界坡度法kkkkkkkkBCgBRCgAi22kkBAgQ32RiCAQ 由：由：臨界坡陡坡緩坡;kkkiiiiii臨界坡臨界流陡坡急流緩坡緩流;000kkkkkkhhiihhiihhii在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，在上述三種底坡上，水可以作均勻流動(dòng)，也可以作非均勻流動(dòng)，如

17、作非均勻流動(dòng)，那么：也可以作非均勻流動(dòng)，如作非均勻流動(dòng)，那么：【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已知流量【例】有一矩形長(zhǎng)渠道，已知流量Q Q25m3/s25m3/s，渠，渠寬寬b b5m5m，糙率，糙率n n0.0250.025，底坡，底坡i i0.00050.0005。試用三。試用三種方法判別種方法判別該渠道在均勻流時(shí)的流態(tài)。該渠道在均勻流時(shí)的流態(tài)。底坡均底坡均勻流時(shí)）勻流時(shí)）水深水深流速流速Fr數(shù)數(shù)比能比能 E動(dòng)能與動(dòng)能與水深水深 h hkh hkh= hk V CV = CFr 1Fr =1dE/dh0dE/dh iki iki = ik特征特征緩流緩流急流急流臨界流臨界流討論：流態(tài)判定的幾種方法討

18、論：流態(tài)判定的幾種方法smRnCmARmbBmhbmbhAkkkkkkkkkk/39.391883.0573.7283.65 .061005. 000977. 022kkkkkkkkBCgBRCgAi【解】【解】 mgbQhk37. 1322緩流緩流又又0h50)5( h20)52(h32050)2()(bhbh2 105 81 10.73 205 132 26.554.1 20.55 13.22 27.504.2 215 13.42 28.33mhmhk37.115.40【解】【解】 緩流緩流取取95.27)2()(132050320iQnbhbhiRnbhQAQv1189.032gAbQF

19、rsmghcsmbhQAQv/38. 6/2 . 100緩流緩流緩流緩流【解】【解】 【解】【解】 第三節(jié)第三節(jié) 水躍和水跌水躍和水跌 為明渠水流的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)為明渠水流的流態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí) 出現(xiàn)的局部水力現(xiàn)象出現(xiàn)的局部水力現(xiàn)象水躍：水躍：急流到緩流時(shí)水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。急流到緩流時(shí)水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。常發(fā)生于閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。常發(fā)生于閘、壩及陡槽等泄水建筑物下游。KK緩流急流水躍是明渠非均勻急變流的重水躍是明渠非均勻急變流的重要現(xiàn)象，增加了上、下游水流要現(xiàn)象，增加了上、下游水流銜接的復(fù)雜性，還引起大量的銜接的復(fù)雜性，還引起大量的能量損失，可以利用這一特能量損失，可以

20、利用這一特點(diǎn)，進(jìn)行下泄水流的消能，以點(diǎn)，進(jìn)行下泄水流的消能，以減免對(duì)河床的沖刷。減免對(duì)河床的沖刷。水躍流動(dòng)特征水躍流動(dòng)特征水躍下部：主流區(qū)，流速由快變慢，急劇擴(kuò)散水躍下部：主流區(qū)，流速由快變慢，急劇擴(kuò)散水躍中水體摻入大量空氣水躍中水體摻入大量空氣水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區(qū)水躍上部：水面劇烈回旋的表面旋滾區(qū)表面旋滾區(qū)與下部主流區(qū)附近大量質(zhì)量、動(dòng)量交換，紊動(dòng)表面旋滾區(qū)與下部主流區(qū)附近大量質(zhì)量、動(dòng)量交換，紊動(dòng)摻混極為強(qiáng)烈摻混極為強(qiáng)烈, ,界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層界面上形成橫向流速梯度很大的剪切層. .Ljh2ah12211將表面水滾的將表面水滾的首端稱為躍首首端稱為躍首（躍前水深（躍前水深h1h1），），尾端稱為躍尾尾端稱為躍尾（躍后水深（躍后水深h2h2），），首尾間距離稱首尾間距離稱為躍長(zhǎng)為躍長(zhǎng)L L，高差為，高差為躍高躍高a a，躍首與躍，躍首與躍尾