明渠流动.pptx

有压管流：具有封闭的湿周；压力是流动 的主要动力。明渠流：具有自由水面（即水面压强 为大气压）；重力是流动的主要动力；明渠水面线即测压管水头线 明渠流又称无压流8.1 概述8.1.1 明渠流动的特点 重力作用；底坡影响；水深可变。1）明渠形体棱柱体渠道：断面形状、尺寸沿程不变 的长直渠道 A=A(h),多为人工渠道8.1.2 明渠的分类非棱柱体渠道：断面形状、尺寸沿程有变化 的渠道 A=A(h,s)2)明渠断面形式3）明渠按底坡分类底坡i ：明渠纵断面上渠底线的坡度 因 很小，通常可取 正坡（顺坡）i0，渠底高程沿程下降，z1z2平坡 i=0，渠底高程沿程不变，z1=z2反坡（逆坡）i0，底坡高程沿程抬高，z1z28-2 8-2 明渠均匀流明渠均匀流均匀流是一种匀速直线运动，均匀流质点的运动参数沿程不变。明渠均匀流是一种最简单的明渠流。但其理论是渠道设计的依据，也是进行非均匀流分析计算的基础。8.2.1 明渠均匀流的特征及形成条件1）明渠均匀流的特征：v=const;h=h0 (正常水深);v=v(h)等参数沿程不变。流线为平行直线，过水断面为平面。i=Jp=J G sin=FD2)均匀流的形成条件恒定流Q=const;棱柱体渠道;正坡 i0;n沿程不变;足够长8.2.2 过流断面的几何要素梯形断面明渠其基本几何量（参数）为：，边坡系数，边坡系数m m由土壤或护面的力学性由土壤或护面的力学性质决定质决定,m m=0=0是矩形断面是矩形断面导出量为：过水断面面积水面宽湿周水力半径水深h底宽b边坡系数m8.2.3 明渠均匀流的基本公式明渠水流一般属于紊流粗糙区（阻力平方区），hf v2 其基本公式有三个：谢才(Chezy)公式流量公式曼宁(Manning)公式谢才系数谢才系数流量模数流量模数8.2.4 明渠均匀流的水力计算 明渠均匀流的水力计算有3种类型：1）验算已设计好渠道的输水能力：2）确定渠道的底坡：已知流量和渠道的断面形状、尺寸。注意：定出后，还须验算是v否满足不冲、不淤要求（加糙、减糙等）。以上两种方法均可直接用公式。(1)已知h，求b设b计算Q，点绘曲线，内插求b b。3)设计渠道断面尺寸这一类型分4种情况，都必须试算。QQQA（2）已知b，求h试算方法同（1）设h计算Q。点绘曲线，插值求hQQQA(3)已知 求 b 和 h方法同前，设b（或h），由计算h0（或b），点绘曲线，内插h0或b）。(4)求b 和h这是常见的多种选择的设计任务。任设 b,b1 bi 计算 h,h1 hi 从中选择一组bi 和h0i 能满足：渠道所担负的任务；允许流速；技术经济要求。8.2.5 水力最优断面和允许流速1）水力最优断面：给定断面面积A、粗糙系数n、底坡i，能通过流量Q最大的渠道断面（形状）尺寸。（或通过给定流量，A=Amin)。流量公式为：当A=const,欲使Q=Qmax,必须=min以梯形断面为例：水力最优梯形断面宽深比水力最优梯形断面最优宽深比最优断面面积最优湿周最优水力半径水力最优矩形断面的宽深比水力最优断面存在的问题 当给定了边坡系数当给定了边坡系数mm，水力最优断面的宽，水力最优断面的宽深比深比b/hb/h是唯一的。是唯一的。水力最优断面往往为水力最优断面往往为“窄深形窄深形”，达不到经，达不到经济的目的。济的目的。mm0(0(矩矩)0.50.51.01.01.51.52.02.02.52.52.02.01.2361.2360.8280.8280.6060.6060.4720.4720.3850.3852）实用经济断面 指导思想：认为水力最优断面不是唯一的一个，而是有一个范围，可从中选择一个既便于施工、应用，又很经济的断面，同时也基本符合最优断面的要求。实用经济断面存在可能性实用经济断面存在可能性给定给定A A=const=const，绘出，绘出 ，由，由图可见图可见 存在极小值。而存在极小值。而在的在的极小值附近变化极小值附近变化十分缓慢，即当十分缓慢，即当有微小变化：有微小变化：，水深，水深h h却却有较大的变化范围，因而可从中选择一个合适的宽有较大的变化范围，因而可从中选择一个合适的宽深比。定义实用经济断面：深比。定义实用经济断面：3）渠道的允许流速 不冲不淤流速要求：vminvvmax vmax-不冲流速:由土壤的种类粒径、密实度 等决定（见表8-2）；vmin-不淤流速：由水流挟沙量决定。最小流速要求：南方清水渠道：v0.5m/s 北方结冰渠道：v0.6m/s 技术经济要求：根据渠道所担负的任务。8-3 8-3 无压圆管均匀流无压圆管均匀流无压圆管流是指圆形断面不满流的长管道城市排水管道、污水管道为圆形断面管道属明渠均匀流：J=Jp=i8.3.1 8.3.1 无压圆管均匀流的特征无压圆管均匀流的特征基本公式：8.3.2 8.3.2 过流断面的几何要素过流断面的几何要素基本量为：导出量为：过水断面面积湿周水力半径水深h直径d充满度，充满角，不同充满度的圆管过流断面的几何要素见表不同充满度的圆管过流断面的几何要素见表8-48-4：8.3.3 8.3.3 无压圆管的水力计算无压圆管的水力计算 校核过流能力：已知校核过流能力：已知 d d,n n,和和i i,求求Q Q 设计底坡：已知设计底坡：已知Q Q,d d,n n,求求 i i 设计设计d d：已知：已知Q Q,n n,i i和和 求求d d 这类问题必须试算。这类问题必须试算。8.3.4 8.3.4 输水性能最优充满度输水性能最优充满度(d d、n n、i i)一定时，流量一定时，流量Q Q随水深随水深h h变化，即随充满度变化，即随充满度变化，在某一水深时，输水能力最大，相应的充满变化，在某一水深时，输水能力最大，相应的充满度是最优充满度度是最优充满度。8.3.4 8.3.4 输水性能最优充满度输水性能最优充满度过流速度最大的充满角和充满度过流速度最大的充满角和充满度 同理：同理：（Q Q0 0、v v0 0）为满流时的流量和流速）为满流时的流量和流速 无压圆管设计规范规定污水管的最大设计充满度8.3.5 8.3.5 最大充满度、允许流速最大充满度、允许流速 雨水管和合流管可按满流设计：最大流速规范：金属管：V10 m/s 非金属管：V5 m/s 最小流速规范：d500 mm,Vmin=0.7 m/s d500 mm,Vmin=0.8 m/s8-4 8-4 明渠流动状态明渠流动状态明渠均匀流是等深、等速流动。明渠均匀流是等深等速流动。明渠非均匀流是不等深、不等速流动。水深变化明渠非均匀流是不等深、不等速流动。水深变化与流动状态有关。与流动状态有关。实际中的人工渠道或天然河道中的水流绝大多数实际中的人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。是非均匀流。棱柱体明渠恒定非均匀渐变流的特征棱柱体明渠恒定非均匀渐变流的特征 ：水深水深 h h=h h(s s)过水断面面积过水断面面积 A A=A A(h h,s s)断面平均流速断面平均流速 V V=V V(h h,s s)非均匀流主要指：非均匀流主要指：加速：加速：，呈降水曲线；，呈降水曲线；减速：减速：，呈壅水曲线，呈壅水曲线缓流、急流的表象之一：缓流、急流的表象之一：8.4.1 8.4.1 微幅干扰波波速，弗劳德数微幅干扰波波速，弗劳德数1 1）微波波速）微波波速c c v v=0=0，静水静水。微波以同心圆。微波以同心圆向四周传播；向四周传播；v v c c，急流急流。微波以。微波以v v-c c和和v+cv+c向下游传播。向下游传播。2）明渠流流态分类3种流态 通过微波波速通过微波波速c判别流态判别流态vc 急流急流 ，对于矩形断面，对于矩形断面微波波速是判别明渠流态的重要参数。微波波速是判别明渠流态的重要参数。弗劳德数Fr (Froude number)Fr(弗劳德数)的物理意义Fr=惯性力/重力Fr=动能/势能Fr1，急流1 1）断面比能断面比能E Es s 是以断面最低点为基准计算的液体总机械能是以断面最低点为基准计算的液体总机械能8.4.2 8.4.2 断面单位能量（断面比能），临界水深断面单位能量（断面比能），临界水深 总机械能：总机械能：断面比能断面比能：由于能量损失，由于能量损失，由于由于 z z0 0=z z0 0(s s)、=、0 h hk k,d,dE Es s/d/dh h00，缓流，缓流下支：下支：h h h hk k,d,dE Es s/d/dh h0hk 缓流缓流 h=hk 临界流临界流h i ik k,(,(h h0 0 h hk k)为陡坡。若发生均匀流为陡坡。若发生均匀流急流急流。当当 i i=i ik k,(,(h h0 0=h hk k)为临界坡。若发生均匀流为临界坡。若发生均匀流临界流临界流。当当 i i h hk k)为缓坡。若发生均匀流为缓坡。若发生均匀流缓流缓流。明渠流态判别（小结）缓流缓流 临界流临界流 急流急流 v v cc Fr1 Fr1 h h h hk k h h=h hk k h h 0 d0 dE Es s/d/dh=h=0 d0 dE Es s/d/dh h i ik k i i=i ik k i i i ik k 必须注意：必须注意：FrRe FrRe；缓流；缓流 层流层流8-5 8-5 水跃和水跌水跃和水跌 水跃水跃：水流由急流：水流由急流(h h h hk k)的局部的局部水流现象。水流现象。水跌水跌：水流由缓流：水流由缓流(h h h hk k)过渡到急流过渡到急流(h h h hk k)的局部的局部水流现象。水流现象。本节重点介绍水跃的水力计算。本节重点介绍水跃的水力计算。8.5.1 水跃水跃1 1、水跃的特点、水跃的特点 水跃是典型的明渠急变流。水跃是典型的明渠急变流。1 1）水跃组成：）水跃组成：表面旋滚表面旋滚 +扩散主流扩散主流 跃前水深跃前水深h h(h hk k)称为称为共轭水深共轭水深。水流经水跃区由急流变成缓流。水流经水跃区由急流变成缓流。2 2）水跃消能：表面旋滚区和扩散主流区之间存在剧烈）水跃消能：表面旋滚区和扩散主流区之间存在剧烈的质量、动量和能量交换的质量、动量和能量交换 ，有很强的消能特性。，有很强的消能特性。2、水跃方程 仅讨论平坡仅讨论平坡(i i=0)=0)棱柱体渠道中的水跃。棱柱体渠道中的水跃。假定：假定：忽略边壁阻力；忽略边壁阻力；跃前、跃后断面均跃前、跃后断面均为渐变流断面；为渐变流断面；动量修正系数等于动量修正系数等于1 1建立动量方程：建立动量方程：水跃基本方程显然，等式两边都是水深的函数，称为水跃函显然，等式两边都是水深的函数，称为水跃函数数J J(h h)。即跃前、跃后断面的水跃函数值相等，故即跃前、跃后断面的水跃函数值相等，故 h h 和和 h h为共轭水深。为共轭水深。水跃函数曲线当给定棱柱体渠道和流量当给定棱柱体渠道和流量当当 h h0(0(A A0),0),J J当当 h h(A A),),J J可以证明：可以证明：当当 时时，存在极小值，有，存在极小值，有J J=J Jminmin即临界水深时水跃函数值最小即临界水深时水跃函数值最小跃前水深愈小，对应的跃后水深跃前水深愈小，对应的跃后水深愈大；反之跃前水深愈大，对应愈大；反之跃前水深愈大，对应的跃后水深愈小的跃后水深愈小3、水跃计算（1）共轭水深计算对梯形断面，若已知共轭水深中的一个（跃前水深对梯形断面，若已知共轭水深中的一个（跃前水深或跃后水深），算出此水深相应的水跃函数值，再或跃后水深），算出此水深相应的水跃函数值，再算出此水跃函数值对应的另一水深。一般采用图解算出此水跃函数值对应的另一水深。一般采用图解法。法。对矩形断面，通过水跃方程可获得跃前水深对矩形断面，通过水跃方程可获得跃前水深h h/和跃和跃后水深后水深h h/的二次方程式：的二次方程式：（8-308-30）是单宽流量是单宽流量以跃后水深以跃后水深h h/和跃前水深和跃前水深h h/为未知量，得：为未知量，得：（8-318-31）（8-328-32）所以可得：所以可得：（8-338-33）（8-348-34）（2）水跃长度计算8-6 8-6 棱柱性渠道非均匀渐变流水棱柱性渠道非均匀渐变流水面曲线的分析面曲线的分析8-7 8-7 明渠非均匀渐变流水面曲线明渠非均匀渐变流水面曲线的计算的计算习题