第6章明渠恒定流動

EngineeringFluidMechanics工程流體力學(xué)山東建筑大學(xué)目錄第1章流體及其主要物理性質(zhì)第2章流體靜力學(xué)第3章流體動力學(xué)基礎(chǔ)第4章流動阻力和水頭損失第5章孔口、管嘴和有壓管流第6章明渠恒定流動明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽明渠水流分類：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均勻流明渠非均勻流明渠非均勻流

無第六章明渠恒定流動AAQCrosssectionA-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

明渠流與有壓流區(qū)別

有壓管流：①具有封閉的濕周；②壓力是流動的主要動力。明渠流：①具有自由水面（即水面壓強(qiáng)為大氣壓）；②重力是流動的主要動力；③明渠水面線即測壓管水頭線一、明渠橫斷面1.天然河道的橫斷面呈不規(guī)則形狀，分主槽和灘地枯水期：水流過主槽豐水期：水流過主槽和灘地

灘地主槽

斷面確定：根據(jù)地質(zhì)條件2.人工明渠的橫斷面據(jù)渠道的斷面形狀分:梯形、矩形、圓形、拋物線形等hbdhθ巖石中開鑿或條石砌筑或混凝土渠或木渠—矩形排水管道或無壓隧道—圓形土質(zhì)地基—梯形bBhm1α渠道底寬b渠中水深h水面寬度B過水?dāng)嗝婷娣eA水力半徑R斷面寬深比邊坡系數(shù)m：邊坡上高差為1m的兩點間的水平距離土壤種類邊坡系數(shù)m粉砂3.0~5.3細(xì)沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密實黃土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半巖性的抗水的土壤0.5~1.25風(fēng)化的巖石0.25~0.5未風(fēng)化的巖石0.00~0.25m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

底坡i—渠底高程沿水流方向單位距離的降落值稱為底坡θ—渠底線與水平線之間的夾角如果用水平距離代替實際距離，用垂直水深代替實際水深明渠底坡有三種類型

正（順）坡i

>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不變負(fù)（逆）坡i<0渠底高程沿流程增加

i>0

i=0

i<0

緩流：水流徐緩，遇到障礙物阻水時，水面壅高并能逆流上傳至較遠(yuǎn)地方。常見于底坡平緩的渠道或枯水季節(jié)的平原河流中。明渠流動的三種狀態(tài)：緩流狀態(tài)、急流狀態(tài)、臨界流三、明渠流動狀態(tài)急流：水流湍急，遇到障礙物阻水時，水面僅在附近隆起，對上游來流無影響。常見于山丘和丘陵地區(qū)的陡槽、險灘中。流態(tài)判別方法：1、波速（c）法、水流遇到障礙物后產(chǎn)生波動（擾動），擾動產(chǎn)生的波速稱為微幅干擾波波速。

靜止水v=0

運(yùn)動水v2、弗勞德數(shù)法弗勞德數(shù)：——表征動能——緩流——急流——臨界流3、斷面比能法z0h

cosθhzz0θ00vQ上圖為一明渠非均勻流，以渠底為基準(zhǔn)面，過水?dāng)嗝鎲挝灰褐氐目偰芰繛楫?dāng)?shù)灼娄龋?°）較小的渠道，cosθ≈1，則式中，Es為斷面比能（斷面單位能量）

比較

z0h

cosθhzz0θ00vQ

E和Es兩者相差一個渠底高程，Es與渠底高程無關(guān)流量一定時，Es是斷面形狀、尺寸的函數(shù)當(dāng)流量和斷面形狀一定時，Es是水深函數(shù)例如，均勻流斷面比能曲線Esh漸近線1：橫坐標(biāo)為漸近線漸近線2：坐標(biāo)軸成45°直線

當(dāng),流態(tài)為臨界流

當(dāng),流態(tài)為臨界流

臨界流方程

或

hk為臨界水深EsminhhkEs緩流緩流急流hEsminhkEs臨界流急流緩流急流hEsminhkEs臨界流斷面比能的變化規(guī)律h1h2Es2Es1hhkEsh1h2Es2Es14、臨界水深及其計算

臨界流方程

(1)矩形斷面明渠

(2)任意斷面的明渠為含hk的高次隱函數(shù)式，不能直接求解hk

試算法、試算圖解法

Hk與渠道斷面形狀、尺寸、流量有關(guān)，與n、i無關(guān)：緩流，：急流：臨界流，在棱柱體渠道中，當(dāng)斷面形狀、尺寸和流量一定時，均勻流正常水深h0=hk時，對應(yīng)的渠底底坡稱為臨界底坡ik。臨界底坡是一個假想底坡，與渠道實際底坡無關(guān)，僅與渠道流量Q、糙率n、斷面形狀尺寸有關(guān).5、臨界坡度法由：在上述三種底坡上，水可以作均勻流動，也可以作非均勻流動，如作非均勻流動，則：【例】有一矩形長渠道，已知流量Q＝25m3/s，渠寬b＝5m，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0005。試用三種方法判別該渠道在均勻流時的流態(tài)。底坡（均勻流時）水深流速Fr數(shù)比能E動能與水深h>hkh<hkh=hkV<CV>

CV=

CFr<1Fr>1Fr=1dE/dh>0dE/dh<0dE/dh=0i>iki<iki=ik特征緩流急流臨界流討論：流態(tài)判定的幾種方法【解】

緩流又21058110.7320513226.554.120.55