工程流體力學(xué)放映10章

1、2022-5-2812022-5-282掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計算；掌握明渠均勻流產(chǎn)生的條件、特征、水力計算；掌握明渠漸變流的特征，斷面單位能量、臨界水深、掌握明渠漸變流的特征，斷面單位能量、臨界水深、 臨界底坡計算，急流與緩流的判別。臨界底坡計算，急流與緩流的判別。學(xué)習(xí)重點學(xué)習(xí)重點2022-5-283 理解閘孔出流計算理解閘孔出流計算掌握寬頂堰水力計算掌握寬頂堰水力計算另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基本方程，會定性分析另外還應(yīng)理解水躍現(xiàn)象及其基本方程，會定性分析 棱柱形渠道中非均勻漸變流水面曲線棱柱形渠道中非均勻漸變流水面曲線 。2022-5-284（1 1）具有自由液面；）具有自由

2、液面； （2 2）濕周是不封閉的曲線；）濕周是不封閉的曲線；（3 3）依靠重力由高處向低處流。）依靠重力由高處向低處流。明渠明渠是一種具有自由表面液流的渠道。是一種具有自由表面液流的渠道。一、明渠流特征：一、明渠流特征：2022-5-285二、特點：二、特點：（4 4）與其它建筑物交叉時，采取措施較復(fù)雜。）與其它建筑物交叉時，采取措施較復(fù)雜。（1 1）可沿地勢修建，故較簡單；）可沿地勢修建，故較簡單；（2 2）比較經(jīng)濟（不用動力）；）比較經(jīng)濟（不用動力）； （3 3）易受外界影響（易蒸發(fā)、結(jié)冰、污染等）；）易受外界影響（易蒸發(fā)、結(jié)冰、污染等）；2022-5-286（1 1）天然明渠）天然明渠（

3、2 2）人工明渠）人工明渠1 1、據(jù)明渠的形成條件：、據(jù)明渠的形成條件：三、明渠分類：三、明渠分類：過流斷面為不規(guī)則圖形。過流斷面為不規(guī)則圖形。如：天然形成的江、河、湖、海。如：天然形成的江、河、湖、海。過流斷面為規(guī)則圖形。過流斷面為規(guī)則圖形。2022-5-2872 2、據(jù)渠道過流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：、據(jù)渠道過流斷面的形狀、尺寸是否沿程改變：（1 1） 棱柱形渠道棱柱形渠道 A = f (h)A = f (h) ；（2 2）非棱柱形渠道）非棱柱形渠道 A = f (hA = f (h，s)s)2022-5-2883 3、按過流斷面的幾何形狀：、按過流斷面的幾何形狀：（1 1）規(guī)則形渠

4、道）規(guī)則形渠道（2 2）不規(guī)則形渠道）不規(guī)則形渠道如矩形、圓形、梯形等如矩形、圓形、梯形等天然渠道天然渠道2022-5-289v vv vv v（1 1）順坡渠道）順坡渠道（2 2）平坡渠道）平坡渠道（3 3）逆坡渠道）逆坡渠道i i 0 0i i = 0 = 0i i 0 2 2 過流斷面的水深過流斷面的水深 h h1 1hh2 2 鉛垂水深。鉛垂水深。 h1h22022-5-28125 5、按流動是否恒定：、按流動是否恒定：（1 1）明渠恒定流；）明渠恒定流；（2 2）明渠非恒定流。）明渠非恒定流。6 6、按流動是否均勻、按流動是否均勻：（1 1）明渠均勻流；）明渠均勻流；（2 2）明渠非

5、均勻流。）明渠非均勻流。2022-5-2813明渠明渠暗渠暗渠一般用來輸送清水。一般用來輸送清水。一般用來輸送污水。一般用來輸送污水。四、適用范圍：四、適用范圍：2022-5-2814（2 2） J J = J= JP P = i= i 。（1 1）h h、 v v、 u u、 A A（斷面尺寸）、形狀沿程不變；（斷面尺寸）、形狀沿程不變；恒定明渠均勻流恒定明渠均勻流水深、斷面平均流速、流速分布水深、斷面平均流速、流速分布 等都沿程不變的明渠流。等都沿程不變的明渠流。10101 1 恒定明渠均勻流恒定明渠均勻流 一、特性及發(fā)生條件一、特性及發(fā)生條件1 1、水力特性：、水力特性：i iJpJpJ

6、 Jvv2 22g2g2022-5-2815（1 1）水流恒定；）水流恒定；（5 5）沿程無局部阻力。）沿程無局部阻力。（2 2）渠道為長直棱柱形、順坡渠道；）渠道為長直棱柱形、順坡渠道；（3 3）底坡）底坡 i i 沿程不變；沿程不變；（4 4）粗糙系數(shù)）粗糙系數(shù) n n 沿程不變；沿程不變；2 2、形成條件：、形成條件： 在實際工程在實際工程中，大多都屬于中，大多都屬于非均勻流，但在非均勻流，但在一定的條件下，一定的條件下，可將某段流動近可將某段流動近似地視為均勻似地視為均勻流，以簡化計流，以簡化計算。算。2022-5-28161 1、流速：、流速：RJCv 2 2、流量：、流量：JKRJ

7、AcAvQ二、基本公式二、基本公式謝才公式謝才公式K K流量模數(shù)流量模數(shù)RAcK 用用 h h0 0 表示表示發(fā)生明渠均勻流時的水深。發(fā)生明渠均勻流時的水深。3 3、正常水深、正常水深輸水能力輸水能力 在一定的正常水深時通過的流量。在一定的正常水深時通過的流量。2022-5-28171 1、水力最優(yōu)斷面：、水力最優(yōu)斷面：分析：分析：三、水力最優(yōu)斷面和允許流速三、水力最優(yōu)斷面和允許流速 Q Q = = f f ( ( 斷面尺寸，形狀，斷面尺寸，形狀，n n，i i ) )，而而 i i 一般可據(jù)一般可據(jù)地勢而定，地勢而定，n n 可可據(jù)材料而定。據(jù)材料而定。 Q Q = = f f ( ( 斷面

8、尺寸，形狀斷面尺寸，形狀 ) )2022-5-28181 1 當(dāng)當(dāng) n ,n , i i 一定時，使渠道通過流量最大的一定時，使渠道通過流量最大的 斷面形狀即斷面形狀即 水力最優(yōu)斷面水力最優(yōu)斷面。2 2 設(shè)計渠道時，不但應(yīng)遵從基本公式，還應(yīng)考慮水設(shè)計渠道時，不但應(yīng)遵從基本公式，還應(yīng)考慮水 力最優(yōu)，但由此設(shè)計的渠道卻不一定是最經(jīng)濟。力最優(yōu)，但由此設(shè)計的渠道卻不一定是最經(jīng)濟。斷面面積一定時，流量最大為最佳。斷面面積一定時，流量最大為最佳。流量一定時，斷面面積最小為最佳；流量一定時，斷面面積最小為最佳；2022-5-28193/22/13/56/11xiAnRinRAQ（1 1）最優(yōu)斷面推導(dǎo)）最優(yōu)斷

9、面推導(dǎo)曼寧公式曼寧公式當(dāng)當(dāng) n n、i i、A A 一定時，一定時，x x 最小，可使最小，可使 Q Q 最最 大，從理論上分析，此時的過流斷面應(yīng)大，從理論上分析，此時的過流斷面應(yīng) 為為圓形圓形，但因圓形斷面施工困難，平日，但因圓形斷面施工困難，平日 維護不便，故一般多采用維護不便，故一般多采用梯形梯形斷面。斷面。2022-5-2820)1(22mmhb-+=bBh（2 2）梯形斷面水力最優(yōu)條件：）梯形斷面水力最優(yōu)條件：m = ctgm = ctg只與只與 m m有關(guān)。有關(guān)。m m 邊坡系數(shù)。邊坡系數(shù)。2022-5-2821（3 3）注意：）注意： 水力最優(yōu)只是從水力學(xué)角度考慮，水力最優(yōu)只是從

10、水力學(xué)角度考慮， 在實際在實際 工程中還應(yīng)考慮工程造價、施工技術(shù)、運轉(zhuǎn)費工程中還應(yīng)考慮工程造價、施工技術(shù)、運轉(zhuǎn)費用、養(yǎng)護管理等，用、養(yǎng)護管理等， 諸多方面的因素從而選擇諸多方面的因素從而選擇 經(jīng)濟合理的斷面。經(jīng)濟合理的斷面。 2022-5-2822 渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計流速。渠道既不遭沖刷，又不產(chǎn)生淤積的設(shè)計流速。 渠道設(shè)計除考慮水力最優(yōu)、最經(jīng)濟外，渠道設(shè)計除考慮水力最優(yōu)、最經(jīng)濟外，還應(yīng)考慮渠道的防沖刷和防淤積能力，以保還應(yīng)考慮渠道的防沖刷和防淤積能力，以保證液體流動暢通，不影響其輸水能力。證液體流動暢通，不影響其輸水能力。2 2、渠道允許流速、渠道允許流速2022-5-2823

11、即：即： v vminmin v v v vv vm m ax ax ，或，或 v vv 3 在在 k kh h 曲線上查找與對應(yīng)的曲線上查找與對應(yīng)的 h h 。 方法方法 ：1 1 據(jù)據(jù)作作 k kh h 曲線；曲線；KRAc=2 2 據(jù)已知條件得出據(jù)已知條件得出 ：iQk0（1 1） b b 已定，已定，h h 待定待定 。 h hh h0 0k k0 0k kk k h h 線線2022-5-2830（2 2）h h 已已 定，定，b b 待定。待定。方法同（方法同（1 1）。）。（3 3） 已定，求相應(yīng)的已定，求相應(yīng)的 b b ， h h 。=b bh h1 1 對小型渠道：對小型渠道

12、： 可按水力最優(yōu)計算可按水力最優(yōu)計算 。 )1(22mmhb2 2 對大中型渠道：對大中型渠道： 還應(yīng)考慮經(jīng)濟條件。還應(yīng)考慮經(jīng)濟條件。方法：方法：2022-5-2831方法：方法：（4 4） 據(jù)據(jù) v vm m ax ax 設(shè)計設(shè)計 b, hb, h 。A =( b + m h )hA =( b + m h )hR =R =A A x x2/32/1maxivnR maxvQA 2 2 計算：計算：聯(lián)立即可求聯(lián)立即可求得得 b b， h h 。1 1 先找出過流斷面各先找出過流斷面各 要素之間的關(guān)系：要素之間的關(guān)系：2022-5-2832五、圓形斷面水力最優(yōu)計算五、圓形斷面水力最優(yōu)計算可按明渠

13、均勻流基本公式計算?？砂疵髑鶆蛄骰竟接嬎?。1 1、無壓圓管各水力要素之間的關(guān)系、無壓圓管各水力要素之間的關(guān)系（ p p6767）。）。hd充滿角充滿角充滿度。充滿度。2022-5-2833（1 1） 當(dāng)當(dāng)=1 =1 時，時， 為滿管流動；為滿管流動；（2 2） 當(dāng)當(dāng) 500mmd 500mm： v vminmin=0.8m/s=0.8m/s d 500mmd 500mm： v vminmin=0.7m/s=0.7m/s。可參閱有關(guān)手冊與規(guī)范?？蓞㈤営嘘P(guān)手冊與規(guī)范。2022-5-2843六、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計算六、復(fù)式斷面明渠均勻流水力計算 Q Q 1 1Q Q 2 2Q Q 3 3

14、特性：特性：2 2 各部分的濕周僅各部分的濕周僅 考慮水流與固體考慮水流與固體 壁面接觸的周界。壁面接觸的周界。1 1 J J1 1 = J = J2 2 = J = J3 3ikkkQQQQ)(3213212022-5-28441 1、非均勻流的產(chǎn)生及特征：、非均勻流的產(chǎn)生及特征：10-2 10-2 恒定明渠（非均勻）流的流恒定明渠（非均勻）流的流 動型態(tài)和若干基本概念動型態(tài)和若干基本概念（1 1）產(chǎn)生：）產(chǎn)生：1 1 人為因素人為因素在渠道上建橋、設(shè)涵、修壩等水在渠道上建橋、設(shè)涵、修壩等水 工建筑，會破壞發(fā)生均勻流的條工建筑，會破壞發(fā)生均勻流的條 件，從而產(chǎn)生非均勻流。件，從而產(chǎn)生非均勻流

15、。2022-5-28451 1 v v、h h 、u u 沿程改變，水面線一般為曲線；沿程改變，水面線一般為曲線； 2 2 J J J Jp p i i。2 2 自然因素自然因素河渠受大自然作用，過流斷面、底河渠受大自然作用，過流斷面、底 坡發(fā)生改變，產(chǎn)生非均勻流。坡發(fā)生改變，產(chǎn)生非均勻流。（2 2）特征：）特征：2022-5-28462 2、分類：、分類：（1 1） 漸變流漸變流（2 2） 急變流急變流1 1 分析水面曲線；分析水面曲線；22沿程水深計算。沿程水深計算。h h 沿程無突變，流線近似平行直線，沿程無突變，流線近似平行直線，過流斷面壓強分布過流斷面壓強分布 符合靜水壓強分布。符合

16、靜水壓強分布。h h 沿程急劇改變，流線間夾角很大。沿程急劇改變，流線間夾角很大。明渠非均勻明渠非均勻流要解決的流要解決的問題：問題：2022-5-2847 c c v v緩流緩流明渠流的兩種流動型態(tài)明渠流的兩種流動型態(tài)一、緩流和急流一、緩流和急流1 1、緩流、緩流 若障礙物對水流的干擾可向上游傳若障礙物對水流的干擾可向上游傳 播，則為緩流。播，則為緩流。有：有： v cv cv c主要發(fā)生在底坡陡峻，主要發(fā)生在底坡陡峻，水流湍急的河渠中。水流湍急的河渠中。明渠流的水面線型與明渠流的水面線型與流態(tài)有關(guān)，故分析水流態(tài)有關(guān)，故分析水面線應(yīng)先判斷流態(tài)。面線應(yīng)先判斷流態(tài)。2022-5-2849二、明渠

17、流流動型態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)二、明渠流流動型態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)弗汝德數(shù)弗汝德數(shù)2 2、弗汝德數(shù)、弗汝德數(shù) F Fr r hgvFrhgvcvc/1 1、微波的絕對波速、微波的絕對波速（自閱）（自閱）反映了反映了慣性力慣性力與與重力重力之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。2022-5-2850（3 3）急流：）急流： F Fr r 1 1。（1 1）臨界流：）臨界流： F Fr r =1=1；（2 2）緩流：）緩流： F Fr r 1 cv c 時，時，c c 恒為正，干擾波只向下游傳，為恒為正，干擾波只向下游傳，為急流急流；當(dāng)當(dāng) v c v 2 H H 總是沿程下降，但總是沿程下降，但 E E 卻不一定。卻不一定。1 1

18、概念不同概念不同 E = HE = H a a ；因因 z z 不固定不固定2022-5-2854見下頁見下頁)(22222hfgAQhgvhE依據(jù)：依據(jù)：（4 4）E E與與 h h 的關(guān)系曲線：的關(guān)系曲線：2022-5-2855hkEminhEE1=h2222gAQE E=E1+ E23 E=E3 E=E1 1+ E+ E2 2 = = 勢能勢能 + +動能。動能。2 22 22 2gAgAQ Qa a2 h02 h0， A0A0， EE；1 h1 h， AA， EhEh； 2022-5-2856（ 5 5 ）關(guān)系曲線分析：）關(guān)系曲線分析：0dhdE1 1 上支：上支：緩流緩流 E E 隨

19、隨 h h 的增加而增加。此時，勢能（的增加而增加。此時，勢能（E E1 1）占主）占主導(dǎo)地位，導(dǎo)地位，E E 的變化主要表現(xiàn)在的變化主要表現(xiàn)在 的變化。這種水流的變化。這種水流遇到局部干擾時，表現(xiàn)為水位的遇到局部干擾時，表現(xiàn)為水位的壅高或降低壅高或降低。2022-5-28570dhdE2 2 下支：下支：急流急流3 3 分界點：分界點： 臨界流臨界流 E E 隨隨 h h 的減小而增加。此時，動能（的減小而增加。此時，動能（E E2 2） 占主導(dǎo)地位，占主導(dǎo)地位，E E 的變化主要表現(xiàn)為的變化主要表現(xiàn)為 v v 的變化。的變化。 這種水流遇到局部干擾時，表現(xiàn)為水位的局這種水流遇到局部干擾時，

20、表現(xiàn)為水位的局 部隆起。部隆起。2022-5-28582 2、臨界水深、臨界水深 h hcrcr（1 1）臨界水深計算式：）臨界水深計算式：0)2(22gAQhdhddhdE由：由：crcrBAgQ32得：得：對應(yīng)斷面單位能量最小的水深。對應(yīng)斷面單位能量最小的水深。dhdA其中：其中：表示過流斷面面表示過流斷面面積隨水深的變化積隨水深的變化率，可近似的以率，可近似的以水面寬度水面寬度 B B 代替。代替。2022-5-2859 當(dāng)給定渠道流量、斷面形狀和尺寸時，就當(dāng)給定渠道流量、斷面形狀和尺寸時，就可由上式求得可由上式求得 h hcrcr 值。值。由此可知由此可知：h hcrcr與斷面形與斷面

21、形狀、尺寸及狀、尺寸及 流量有關(guān)流量有關(guān)； h h0 0與與 i i ，n n 有關(guān)有關(guān)。2022-5-2860（2 2）h hcrcr 的求解方法：的求解方法：h hB BA A3 3Q Q2 2g gh hcrcrh hB BA A3 3試算試算作圖作圖32gqhcra=對矩形斷面：對矩形斷面：2022-5-28613 3、臨界底坡、臨界底坡 i icrcr正常水深恰好等于臨界水深時的渠底坡度。正常水深恰好等于臨界水深時的渠底坡度。既滿足既滿足均勻流均勻流關(guān)系式關(guān)系式又滿足又滿足臨界流臨界流關(guān)系式關(guān)系式crcrcrcriRCAQ crcrBAgQ32即：即：計算式：計算式：crcrcrcr

22、BCgxi22022-5-2862臨界坡臨界坡 i = i i = icrcr 緩坡緩坡 i i i i i icrcr4 4、緩坡、急坡、臨界坡、緩坡、急坡、臨界坡2022-5-2863四、判別流動型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)四、判別流動型態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)1 1、緩流：、緩流：F Fr r 1hhh cr cr；i ii icrcr ；v vv v cr cr ； v c v 0 0F Fr r= 1= 1；h= hh= h cr cr；i = ii = icrcr ；v = vv = v cr cr ；v = cv = c；dEdEdhdh 0 0dEdEdhdh 0 1 1；hhh ii icrcr ； v vv

23、 v cr cr；v c v c ；2 2、急流：、急流：3 3、臨界流：、臨界流：2022-5-286410103 3 水躍和跌水水躍和跌水一、水躍一、水躍1 1、水躍現(xiàn)象：、水躍現(xiàn)象： 明渠流從急流狀態(tài)過度到緩流狀態(tài)時，明渠流從急流狀態(tài)過度到緩流狀態(tài)時， 水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。水面突然躍起的局部水力現(xiàn)象。（1 1） 水躍：水躍：2022-5-2865（2 2）發(fā)生原因：）發(fā)生原因： 由水深較小的急流受到下游水深較大的緩流由水深較小的急流受到下游水深較大的緩流阻擋，迫使局部水流強烈混摻，流速驟降，阻擋，迫使局部水流強烈混摻，流速驟降， 急流急流的動能大量消耗，剩余動能在局部渠段內(nèi)，急劇

24、的動能大量消耗，剩余動能在局部渠段內(nèi)，急劇轉(zhuǎn)為勢能，由此引起局部水位急劇升高，呈水躍轉(zhuǎn)為勢能，由此引起局部水位急劇升高，呈水躍現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 2022-5-2866h h/ / h h/ 漩渦區(qū)漩渦區(qū)（3 3） 水躍圖示：水躍圖示：緩流區(qū)緩流區(qū)主流區(qū)主流區(qū)急流區(qū)急流區(qū) 上部為上部為旋渦區(qū)旋渦區(qū)，下部為，下部為主流區(qū)主流區(qū)。此兩部分的。此兩部分的質(zhì)點不斷相互混摻，進行能量交換。故水躍可以引起質(zhì)點不斷相互混摻，進行能量交換。故水躍可以引起大量的能量損失，通?？勺鳛橐环N消能的措施。大量的能量損失，通?？勺鳛橐环N消能的措施。2022-5-2867（4 4） 水躍的形式：水躍的形式： 1 1 完整水躍完整

25、水躍躍前水深與躍后水深相差顯著躍前水深與躍后水深相差顯著 的水躍。的水躍。3 3 波狀水躍波狀水躍無表面翻滾的水躍。如小橋涵過水。無表面翻滾的水躍。如小橋涵過水。2 2 自由水躍自由水躍純屬緩流水體阻擋造成的水躍。純屬緩流水體阻擋造成的水躍。完整水躍完整水躍的一些規(guī)律常的一些規(guī)律?？勺鳛槟承┧S計算的依據(jù)，故在可作為某些水躍計算的依據(jù)，故在此著重討論之。此著重討論之。2022-5-28682 2、水躍方程：、水躍方程：（1 1）幾點假設(shè)：）幾點假設(shè)：1 1 水躍段摩擦阻力忽略不計；水躍段摩擦阻力忽略不計；2 2 躍前及躍后斷面為漸變流過流斷面；躍前及躍后斷面為漸變流過流斷面；3 3 動量修正系

26、數(shù)相同，即動量修正系數(shù)相同，即 1 1=2 2= = 1= = 1；4 4 平坡渠道，重力在流動方向上無分量。平坡渠道，重力在流動方向上無分量。2022-5-2869（2 2）方程的推導(dǎo)依據(jù)：）方程的推導(dǎo)依據(jù)：)()(11222211vvQAyAycc動量方程：動量方程：11222022-5-2870（3 3） 完整水躍方程式：完整水躍方程式：當(dāng)當(dāng) Q Q 一定時，完整水躍方程式為一定時，完整水躍方程式為 水深的函數(shù)，故可改寫成函數(shù)式。水深的函數(shù)，故可改寫成函數(shù)式。2222121121gAQAygAQAycc2022-5-2871gAQAyhJc20)(令：令： 則有：則有：J J（h h/

27、/）=J=J（h h/）水躍函數(shù)水躍函數(shù)（4 4）水躍函數(shù)：）水躍函數(shù)：2022-5-2872（5 5）J J（h h）隨隨 h h 變化曲線：變化曲線：如圖如圖45450 0E E, , J Jh hh hk kE E minminJ J minminE=f(h)E=f(h)J = f (h)J = f (h)2022-5-2873（6 6）對比：對比：J J（h h） h hE E（h h） h h與與上支上支緩流；緩流；下支下支急流。急流。1 1 曲線形狀相似；曲線形狀相似；2 2 在同一水深在同一水深 h hk k 時具有最小值；時具有最小值；45450 0E E, , J Jh hh

28、 hk kE E minminJ J minminE=f(h)E=f(h)J=f (h)J=f (h)2022-5-28743 3 作一任意平行作一任意平行 h h 軸的直線，與軸的直線，與 J J（h h） h h曲線相交于兩點曲線相交于兩點 M M、N N，而，而 M M、 N N 兩點分別兩點分別對應(yīng)兩個水深對應(yīng)兩個水深 h h/ / 、h h/。 E En n E Em m = = E E 水躍能量損失。水躍能量損失。h h/ / 、h h/ 共軛水深；共軛水深；45450 0E E, , J Jh hh hk kE=f(h)E=f(h)J=f (h)J=f (h)h h，h h”E

29、En nE Em m2022-5-28753 3、共軛水深計算（、共軛水深計算（水躍方程水躍方程） 2222212111gAQAygAQAycc（1 1）任意斷面形狀：）任意斷面形狀： 11 試算；試算；2 2 圖表圖表 ；3 3 作作 J J（h h） h h 曲線曲線 。解題方法解題方法2022-5-2876見式見式10104848， 10104949，10105050， 10105151， 10105252。（2 2）矩形斷面：）矩形斷面：2022-5-28774 4、水躍的能量損失、水躍長度、水躍的能量損失、水躍長度（1 1）能量損失：）能量損失： 主要集中在主要集中在水躍水躍段，可將

30、此段損失作為段，可將此段損失作為 水躍能量的全部損失。水躍能量的全部損失。)2()2(222222111121gvpzgvpzHHhw2022-5-2878hhhhEEhw 4)(3/對于對于平坡、矩形斷面平坡、矩形斷面 渠道，有：渠道，有：2022-5-2879（2 2）水躍長度：）水躍長度：L =L = L Lj j + + L L0 0L L0 0 躍后段長度躍后段長度L Lj j 水躍段長度水躍段長度式式10105959式式10105656式式10105757式式101058582022-5-2880（1 1）遠驅(qū)式水躍：）遠驅(qū)式水躍：h h” h h0 0 水躍能量由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽?/p>

31、水躍能量由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，向下游推移，直到多余勢能消失，向下游推移，直到多余勢能消失，水位與下游相同為止。水位與下游相同為止。5 5* *、水躍的三種銜接形式：、水躍的三種銜接形式：h h” h h0 0（2 2）臨界式水躍：）臨界式水躍：h h” 1 水流單位勢能的改變水流單位勢能的改變 單位動能單位動能 + +單位能量損失改變。單位能量損失改變。33 時，一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，故水面降時，一部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽埽仕娼德漭^小，也可能保持不變，甚至?xí)仙漭^小，也可能保持不變，甚至?xí)仙ㄈ纾ㄈ缂绷骷绷骶徚骶徚?）。）。d d 02 dhdhf f 恒為正值，故恒為正值，故時，時，dzdz

32、0 00vv2 22g2g2022-5-288410105 5 棱柱型渠道中恒定非均勻棱柱型渠道中恒定非均勻 漸變流水面曲線分析漸變流水面曲線分析 可 用 作 水可 用 作 水面 曲 線 定面 曲 線 定性分性分 析。析。1 1、一般表達式：、一般表達式：一、微分方程一、微分方程 2221rFKQidsdh2022-5-28852 2、討論：、討論：dsdh（1 1） hhhhcrcr 時，時， F Fr r11，即：水流由小于即：水流由小于 h hcrcr大于大于 h hcrcr 時，發(fā)生時，發(fā)生水躍水躍； 反之則發(fā)生反之則發(fā)生跌水跌水。水面曲線與臨界水深正交。水面曲線與臨界水深正交。202

33、2-5-2886（2 2） 水深水深 h h 的沿程變化與的沿程變化與 i i 有關(guān)。有關(guān)。1 1 i i 0 0時：時： iFkkdsdhr220113 3 i i0 2 i i=0=0時：時：crrcrriFkkFkQdsdh2222211可按發(fā)生均勻流可按發(fā)生均勻流 Q Q 2 2 = k= k0 02 2 i iQ Q 2 2 = k = kcrcr2 2 i i cr crKK0 0 均勻流時均勻流時的流量模數(shù)。的流量模數(shù)。令：令：i i / /= - i (i0)= - i (i 0i 0 （順坡）：（順坡）：K KK KN NN Na ab bc c3 3、五種底坡、十二個區(qū)：、

34、五種底坡、十二個區(qū)：三種坡、八個區(qū)三種坡、八個區(qū)i ii ii icrcr 急坡急坡2022-5-2888a ac cK K（N N）K K（N N）i ii icrcr 臨界坡臨界坡（2 2）i = 0i = 0 （平坡）：（平坡）：K KK Kb bc ci = 0i = 0兩個區(qū)兩個區(qū)2022-5-2889（3 3） i 0i 0 （逆坡）：（逆坡）：b bc cK KK Ki 0i 0兩個區(qū)兩個區(qū)2022-5-2890?000dsdh4 4、分析水面曲線的任務(wù)：、分析水面曲線的任務(wù)：（1 1）據(jù)）據(jù) i i，h h 與與 h h0 0 ，h h 與與 h hcrcr 的關(guān)系及的關(guān)系及

35、F Fr r 數(shù)，確數(shù)，確 定水面曲線沿程變化規(guī)律，即：定水面曲線沿程變化規(guī)律，即：（2 2）指出曲線兩端的變化趨勢，即極限）指出曲線兩端的變化趨勢，即極限 情況。情況。2022-5-2891二、定性分析二、定性分析1 1、順坡渠道、順坡渠道（i 0i 0）iFkkdsdhr22011基本公式基本公式h h0 0 h hcrcr（1 1）緩坡緩坡（i ii dsdh1 1 h h h h0 0 h hcrcr 時：時：a aI I 型壅水曲線型壅水曲線下游端：與水平線漸進。下游端：與水平線漸進。上游端：與上游端：與 N NN N 線漸進。線漸進。0 0 dsdsdhdh0,0dsdhhh上游端

36、：上游端：以以N NN N為漸進線為漸進線0, 0,0rFidsdhkkkh下游端：下游端：以以水平線水平線 為漸進線為漸進線2022-5-28930 0 2 h h0 0 h h h hcrcr 時：時：下游端：與下游端：與 K KK K 線正交。線正交。上游端：以上游端：以 N NN N 為漸進線。為漸進線。2022-5-28940 0 dsdsdhdh33 h h0 0 h hcrcr h h 時：時：c cI I型壅水曲線型壅水曲線上游端：起源于某一水深上游端：起源于某一水深下游端：與下游端：與 K KK K 線正交線正交2022-5-28950 0 dsdsdhdhh h h hcr

37、cr h h0 0 時時：0 0 h h h h0 0 時時：a a型壅水曲線型壅水曲線b b型降水曲線型降水曲線（2 2）急坡急坡（i i i i crcr ）h h0 0 h dsdsdhdhh hcrcr h h0 0 h h 時時：c c型壅水曲線型壅水曲線2022-5-28961 1 h h h h0 0 = = h hcrcra a型壅水曲線型壅水曲線（3 3）臨界坡臨界坡（i= ii= icrcr ）h h0 0= h= hcrcr2 2 h h h h hcrcrb b0 0 型降水曲線型降水曲線c c0 0 型壅水曲線型壅水曲線（2 2）h h h h hcrcrb b/ /

38、 型降水曲線型降水曲線（2 2）h h h hcrcrc c/ / 型壅水曲線型壅水曲線3 3、逆坡渠道（、逆坡渠道（ i 0i 1 hhhhcrcr 時，時， 水面曲線的連續(xù)性中斷，與水面曲線的連續(xù)性中斷，與K KK K 線正交，發(fā)生線正交，發(fā)生水躍水躍或或跌水跌水。 3 3 h h 時，時， 水面曲線漸趨水平。水面曲線漸趨水平。2 2 hhhh0 0 時，時， 水面曲線的漸近線為水面曲線的漸近線為N NN N 線。線。2022-5-28101（3 3）a a 、 c c 型曲線在連接型曲線在連接 N NN N 線、線、K KK K 線時，都近乎水平。線時，都近乎水平。（4 4）渠道足夠長時

39、，水流可恢復(fù)均勻流，水深為正）渠道足夠長時，水流可恢復(fù)均勻流，水深為正 常水深，水面線為常水深，水面線為N NN N線。線。2022-5-28102（3 3）分析水面線的幾何特性、上、下游銜接情況，繪）分析水面線的幾何特性、上、下游銜接情況，繪 出曲線。出曲線。（1 1）首先判明渠道類型，確定）首先判明渠道類型，確定 N NN N，K KK K 線的線的 位置。為此，位置。為此， 應(yīng)先計算應(yīng)先計算 h h0 0、h hcrcr、i icrcr 。 （2 2）確定控制斷面，計算控制斷面的水深，按水深所）確定控制斷面，計算控制斷面的水深，按水深所 在區(qū)間判明曲線的類型。在區(qū)間判明曲線的類型。2 2

40、、水面線定性分析要點：、水面線定性分析要點：2022-5-28103（1 1）緩坡（包括平坡、逆坡）緩坡（包括平坡、逆坡） 急坡：急坡：3 3、水面曲線銜接的基本規(guī)律：、水面曲線銜接的基本規(guī)律：產(chǎn)生產(chǎn)生跌水跌水，折變處即，折變處即控制斷面控制斷面，水深可作為臨界水深。水深可作為臨界水深。2022-5-28104發(fā)生發(fā)生水躍水躍1 1 h h/ / h 2 h h/ / = h= ht t 臨界水躍臨界水躍 3 3 h h/ / h ht t 遠驅(qū)水躍遠驅(qū)水躍（2 2）急坡）急坡緩坡（包括平坡、逆坡）：緩坡（包括平坡、逆坡）：2022-5-28105（3 3）緩坡）緩坡緩坡：緩坡： 只只影響上游

41、影響上游，下游依然為均勻流。，下游依然為均勻流。（4 4）急坡）急坡急坡：急坡： 只只影響下游影響下游，上游依然為均勻流。，上游依然為均勻流。（5 5）臨界坡中的流動型態(tài)，應(yīng)視其相鄰底坡的急、緩）臨界坡中的流動型態(tài)，應(yīng)視其相鄰底坡的急、緩 而定，如上游相鄰底坡為緩坡，應(yīng)視為緩坡過渡而定，如上游相鄰底坡為緩坡，應(yīng)視為緩坡過渡 到緩坡，只影響上游。到緩坡，只影響上游。2022-5-28106一、分段求和法一、分段求和法 fJidsdE即即 ：任務(wù)：任務(wù)：求得明渠非均勻漸變流微分方程的解。求得明渠非均勻漸變流微分方程的解。10106 6 恒定明渠非均勻恒定明渠非均勻 漸變流水面曲線計算漸變流水面曲線

42、計算2022-5-28107將微分方程改寫成差分方程，將整個流將微分方程改寫成差分方程，將整個流動劃分成若干微小的流段，在每個流段動劃分成若干微小的流段，在每個流段上應(yīng)上應(yīng) 用差分方程求解，再逐段累加，得用差分方程求解，再逐段累加，得整個渠道水面線。整個渠道水面線。思路：思路：2022-5-281081 1、水面曲線計算要解決的問題、水面曲線計算要解決的問題已知已知：i i ， n n（2 2）已知：）已知：求求: :另一個水深。另一個水深。Q Q，渠道兩斷面的形狀、尺寸，兩斷面渠道兩斷面的形狀、尺寸，兩斷面的間距的間距 L L，一個水深一個水深，（1 1）已知：）已知：求求: :兩斷面的間距

43、兩斷面的間距 L L。Q Q，渠道兩斷面的形狀、尺寸，渠道兩斷面的形狀、尺寸，水深水深 h h1 1 、h h2 2 ，2022-5-281092 2、計算式：、計算式：fJiEs)2()2(21112222gvhgvhE其中：其中：fJ_可按均勻流公式計算。可按均勻流公式計算。2022-5-28110（1 1）長度不大的棱柱體：）長度不大的棱柱體： 221RRR+=221ccc+=221vvv+=即：即：RcvJf222022-5-28111212JJJfff+=1 11 12 22 2v v1 1v v2 2S（2 2）非棱柱體：）非棱柱體：222222RcvJf=121211RcvJf=

44、2022-5-281123 3、棱柱型渠道水面曲線計算：、棱柱型渠道水面曲線計算：方法：方法：（1 1）以某控制斷面作）以某控制斷面作 1 11 1斷面，據(jù)水面曲線斷面，據(jù)水面曲線 的型式定出相鄰的型式定出相鄰 2 22 2斷面，然后以此類斷面，然后以此類 推，逐段計算。推，逐段計算。2022-5-28113（2 2）應(yīng)計算的參數(shù)：）應(yīng)計算的參數(shù)： （3 3）總長（水面曲線）：）總長（水面曲線）：ninifiJiEsl11ESfJ2022-5-281144 4、非棱柱型渠道水面曲線計算：、非棱柱型渠道水面曲線計算：（1 1）已知條件：）已知條件：i , n , Q , hi , n , Q ,

45、 h1 1， A= f ( hA= f ( h， s )s )斷面面積沿斷面面積沿程變化規(guī)律程變化規(guī)律1 1 確定控制斷面處的確定控制斷面處的 E E1 1、h h1 1、A A1 1、V V1 1, J, J f 1 f 1 。2 2 將明渠分為若干段，再按將明渠分為若干段，再按s s 選定相鄰選定相鄰 2 22 2斷面。斷面。（2 2）計算要點：）計算要點：2022-5-28115由由 h h2 2計算出計算出 E E2 2、A A2 2、v v2 2 、J Jf2 f2 。緩流緩流向上游算；向上游算；急流急流向下游算。向下游算。其中：其中：h h2 2 可假定，一般按可假定，一般按 0.

46、1 0.1 0.30.3取值。取值。2022-5-28116)(2121fffJJJfJ3 3 按式按式計算計算再據(jù)再據(jù)fJ及及 i i 計算計算 s s。若計算出的若計算出的 s s 與給定的相等，則所設(shè)與給定的相等，則所設(shè) h h2 2 即所求即所求 h h2 2以上步驟重復(fù)逐段以上步驟重復(fù)逐段求和，即得整段渠道水求和，即得整段渠道水面曲線。面曲線。2022-5-281173 3 拋物線法。拋物線法。1 1 梯形法；梯形法；2 2 矩形法；矩形法；近似法：近似法：二、數(shù)值求和法（棱柱型渠道）二、數(shù)值求和法（棱柱型渠道）dhhdhkQigBQds)(122322022-5-281181010

47、8 8 閘孔出流閘孔出流 一、簡介一、簡介1 1、閘門底的類型：、閘門底的類型：平平 坎坎 寬頂堰坎寬頂堰坎實用堰坎實用堰坎2022-5-281192 2、閘門的型式：、閘門的型式：矩形平板閘門；矩形平板閘門； 弧形閘門弧形閘門3 3、閘孔的出流型式：、閘孔的出流型式：自由式；自由式； 淹沒式淹沒式4 4、閘孔出流與堰流的判別標(biāo)準(zhǔn)：、閘孔出流與堰流的判別標(biāo)準(zhǔn)： 0.65 0.65e eH H則為堰流；則為堰流；若若（1 1）平坎、寬頂堰坎：）平坎、寬頂堰坎：（2 2）實用堰坎：）實用堰坎：則為堰流。則為堰流。 0.75 0.75e eH H若若2022-5-281205 5、影響閘孔出流的因素

48、：、影響閘孔出流的因素：閘門的型式；閘門的型式； 閘孔的尺寸；閘孔的尺寸；閘前的水頭；閘前的水頭； 下游水位等。下游水位等。2022-5-28121二、閘孔出流計算二、閘孔出流計算1 1、自由式閘孔出流、自由式閘孔出流二維、平坎、二維、平坎、矩形閘門矩形閘門H Hc cc ch ht te e2022-5-28122系數(shù)見表系數(shù)見表10105 5。 0.951.00.951.0( (平坎平坎) )H Hc cc ch ht te eehcAAc)(20eHgBeQ2022-5-281232 2、淹沒式、淹沒式 Hehchth h二維、平坎、二維、平坎、矩形閘門矩形閘門、B B、e e同同自由式

49、。自由式。h h 由動量方由動量方 程推導(dǎo)，程推導(dǎo)， 見式見式 11119696)(20hHgBeQ2022-5-281243 3、自由式、淹沒式判別標(biāo)準(zhǔn)：、自由式、淹沒式判別標(biāo)準(zhǔn)：（1 1）自由式：）自由式：不發(fā)生淹沒式水躍。不發(fā)生淹沒式水躍。（2 2）淹沒式：）淹沒式：發(fā)生淹沒式水躍。發(fā)生淹沒式水躍。h hc c h h ht t發(fā)生淹沒式水躍的條件發(fā)生淹沒式水躍的條件: :h hc c h ht t2022-5-28125（2 2）判斷是自由式、淹沒式？）判斷是自由式、淹沒式？（1 1）判斷是否閘孔出流？）判斷是否閘孔出流？5 5、舉例。、舉例。4 4、閘孔水力計算應(yīng)注意的問題：、閘孔水

50、力計算應(yīng)注意的問題：2022-5-28126109 堰堰 流流1、堰、堰 一種既可蓄又可泄的溢流設(shè)施。一種既可蓄又可泄的溢流設(shè)施。2、堰流、堰流水流經(jīng)明渠上的泄水構(gòu)筑物時，發(fā)生水面水流經(jīng)明渠上的泄水構(gòu)筑物時，發(fā)生水面 連續(xù)光滑跌落的現(xiàn)象。連續(xù)光滑跌落的現(xiàn)象。2022-5-28127寬頂堰：寬頂堰： H 0.67薄壁堰：薄壁堰：實用堰：實用堰：H 2.50.67 2.53、堰的分類：、堰的分類：（1） 依據(jù)堰頂厚度：依據(jù)堰頂厚度：H2022-5-28128（2） 依據(jù)水流行近堰體的條件：依據(jù)水流行近堰體的條件：1 側(cè)收縮堰；側(cè)收縮堰；2 無側(cè)收縮堰。無側(cè)收縮堰。Bb2022-5-281291 正

51、堰正堰vv3 側(cè)堰側(cè)堰v2 斜堰斜堰（3） 依據(jù)堰與渠道中水流的方向：依據(jù)堰與渠道中水流的方向：2022-5-28130（4） 依據(jù)堰口的形狀：依據(jù)堰口的形狀：1 三角堰三角堰3 梯形堰梯形堰2 矩形堰矩形堰4 流線形堰流線形堰1 自由式；自由式；2 淹沒式。淹沒式。（5） 依據(jù)下游水位是否影響泄流：依據(jù)下游水位是否影響泄流：2022-5-28131一、薄壁堰一、薄壁堰1、完善堰流與非完善堰流：、完善堰流與非完善堰流： 當(dāng)堰上水頭當(dāng)堰上水頭H 較小時，水舌將貼壁而下，較小時，水舌將貼壁而下，形成不完善堰流，影響泄流能力；當(dāng)形成不完善堰流，影響泄流能力；當(dāng)H 增加增加時，水舌離開壁面，但如果水舌

52、與壁面間沒時，水舌離開壁面，但如果水舌與壁面間沒有良好的通風(fēng)，仍會出現(xiàn)不完善堰流，故在有良好的通風(fēng)，仍會出現(xiàn)不完善堰流，故在薄壁堰中應(yīng)保持水舌下通風(fēng)充分，以使其為薄壁堰中應(yīng)保持水舌下通風(fēng)充分，以使其為完善堰流。完善堰流。2022-5-28132（1）自由式）自由式 （完全堰完全堰）2、矩形薄壁堰、矩形薄壁堰完全堰完全堰無側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)、無側(cè)收縮、自由式、水舌下通風(fēng)、 矩形、薄壁、正堰。矩形、薄壁、正堰。2/302 HgmBQ 2/302 HgBmQ 2 有側(cè)收縮堰：有側(cè)收縮堰：1完全堰完全堰:m0式式10104 m式式10105m0式式101062022-5-28133堰下游水面高

53、于堰頂；堰下游水面高于堰頂；1 必要條件：必要條件： hs 02 充分條件：充分條件：Zp1真空堰真空堰2022-5-281372非真空堰非真空堰堰剖面曲線與堰溢流時水的流線一致，水堰剖面曲線與堰溢流時水的流線一致，水 舌下緣與壁面曲線相吻合，保證在設(shè)計水舌下緣與壁面曲線相吻合，保證在設(shè)計水 頭下達到最大過流量，頭下達到最大過流量， 水流作用于液面上水流作用于液面上 的壓強近似大氣壓。的壓強近似大氣壓。判別淹沒條件同薄壁堰。判別淹沒條件同薄壁堰。 2、計算式、計算式（1）自由式無側(cè)收縮：）自由式無側(cè)收縮：2/302 HgmBQ 2022-5-28138 1 m曲：曲：0.430.50折：折：0

54、.350.43（2）有側(cè)收縮：）有側(cè)收縮：2/302 HgmBQ （3）淹沒式：）淹沒式：2/302 HgmBQ真真：0.5；非非：0.452式式 10116。3 其它分別查有關(guān)表格。其它分別查有關(guān)表格。2022-5-28139三、寬頂堰三、寬頂堰 小橋過水、無壓短涵管、分洪閘、泄水閘等小橋過水、無壓短涵管、分洪閘、泄水閘等一般都屬于寬頂堰水流計算。一般都屬于寬頂堰水流計算。1、水力現(xiàn)象分析：、水力現(xiàn)象分析：（1）當(dāng)）當(dāng)H 42.5 時，堰頂水面只有一次跌落，時，堰頂水面只有一次跌落，堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深堰坎末端偏上游處的水深為臨界水深 h cr 。2022-5-28140工程中常見的是第二種寬頂堰工程中常見的是第二種寬頂堰時，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，時，堰頂水面出現(xiàn)兩次跌落，H 104 同實用堰；同實用堰； 3 表表109。 1 m 查表查表1010； 2 表表109。 有坎寬頂堰：有坎寬頂堰：無坎寬頂堰：無坎寬頂堰：1 m 式式10119，10120；3 已考慮進已考慮進 m，不單算。，不單算。2