明渠水流和堰流课件.pptx

1,一.明渠流动的基本概念,b,m,1,B,主槽,滩地,人工渠道,天然河道,水面和大气直接接触的河渠、槽中的流动。,1. 明渠流动,9 明渠水流和堰流,2,2. 过水断面的形状,b,m,1,B,主槽,滩地,梯形断面,天然河道,非规则断面,规则断面,b,h,矩形断面,圆形断面,3,断面形状、尺寸及底坡沿程变化的渠道,（一）明渠渠身形式分类,非棱柱型渠道,断面形状、尺寸及底坡沿程不变的长、直渠道,棱柱型渠道,3. 明渠的分类,4,流动分类,恒定流,非恒定流,非均匀,渐变流,急变流,均匀,非均匀,渐变,急变,均匀（很少）,基础,（二）,5,（三）底坡i分类,渠底高程 zb 沿程变化率 i=sin = z/l , 为渠底线与水平线夹角,底坡 i,水深h,断面实际水深 hn，铅垂水深 h=hn /cos,在小底坡情况下，可以认为 i=sin = tan , cos = 1.0,因此过水断面可近似地取铅垂面，可用水平距离代替沿程长度；用铅垂水深代替实际水深。,明渠底一般是个斜面，在纵剖面上便成一条斜直线，斜线的坡度称渠道底坡i。,铅垂水深 hhn,6,底坡 i分类,渠底高程沿程升高,渠底高程沿程降低,渠底高程沿程不变,7,断面平均流速v和水深h沿程不变。,特征：两个不变、三个相等、两个平衡,4.明渠恒定均匀流的特征,水力坡度J（总水头线坡度）、水面坡度Jp（测压管水头线坡度）和渠道底坡 i 彼此相等 。,均匀流的所有运动要素均沿程不变。,均匀流的流速沿程不变，故 。,重力在流动方向上的分量和阻碍水流运动的摩擦力相平衡 。,均匀流的水深沿程不变，故 。,8, 恒定流 Q 沿程不变 为棱柱型渠 i 和 n 沿程不变 i 0,5. 明渠均匀流动的形成条件,只有人工渠道才严格满足。,9,一.明渠均匀流的基本公式,连续方程,谢才公式,基本公式,流 量,流量模数,谢才系数,量纲,明渠均匀流一般属于紊流的阻力平方区。,J =i,i =1时渠道中通过的流量，与流量单位相同。,9.1 明渠均匀流,10,巴甫洛夫斯基公式,谢才系数的确定,曼宁公式,11,在明渠设计中，糙率 n 的准确估值是非常重要的，天然河道中影响糙率n值的因素有：,河床表面粗糙断面的不规则、平弯情况、滩地交 叉、河道阻碍情况河堤沙坡影响随水深变化,糙率 n 的确定,糙率 n 由实验定或查表求近似值。,12,明渠均匀流的流量确定后，必有一个水深与之对应，称为正常水深h0 .只有这个水深才能使渠道发生均匀流。,明渠均匀流的正常水深,对于足够长的正底坡渠道，只要断面形状、底坡、渠壁糙率沿程不变，水流总是有形成均匀流的趋势。,解释,A、R就是对应于h0时的过水断面积、水力半径。,13,水力最佳断面 (best hydraulic section),流量,过流断面的面积、糙率、底坡一定，通过的流量最大的断面形状。,水力最佳断面,明渠均匀流的过流能力取决于n、i及过水断面的形状、尺寸。,在设计渠道时，n取决于渠壁材料，i 一般随地形条件定，故流量Q只取决于断面形状和大小。,9.2 明渠均匀流的最优断面和允许流速,14,最佳断面是圆：面积一定,周长最小,面积A一定,要求 R 最大,湿周 最小,面积、糙率、底坡一定，流量最大，要求 k 最小。,流量,15,半圆的水力半径和圆的水力半径相同，所以明渠水力最佳断面是半圆。,明渠水力最佳断面半圆,梯形断面是渠道工程中常用的一种断面形式。当边坡系数选定以后，可确定满足水力最佳条件的宽深比m=（b/h)m,梯形断面明渠满足水力最佳条件的宽深比,半圆形断面施工困难，工程中用的不多，在土壤开挖的渠道中，一般采用梯形断面。,16,矩形水力最佳断面：m=b/h=2,面积:,湿周:,梯形断面最佳宽深比,17,说明,水力最佳断面只是从水力学角度出发导出的。在工程实践中还必须依据造价、施工技术、运转要求、养护条件等各方面情况进行综合考虑和比较，选出最经济合理的过水断面。有时还要考虑航运对水深和水面宽度等方面的要求；,对于小型渠道，其造价基本上由过水断面的土方量决定，其水力最佳断面和经济合理断面比较接近；对于大型渠道，若按照水力最佳条件设计，则渠道成为窄深式，施工不变，养护也困难。,实际设计时，水力最佳条件只是考虑因素之一。,18,不冲允许流速v: 防止冲刷破坏,砂质粘土 : 1.0 m/s 粘 土 : 1.2 m/s 草皮护坡 : 1.6 m/s 干砌块石 : 2.0 m/s,不淤允许流速v : 防止泥沙淤积,雨水明渠 0.4 m/s雨水管道 0.75 m/s,渠道允许流速,0.4mh1.0m 时,2. 渠道中的允许流速问题,一般取 v 0.5m/s,19,三.明渠均匀流水力计算的基本问题,校核已有渠道的输水能力（求流量Q）,确定渠道底坡i,设计新渠道（决定断面形状尺寸b、h）,20,b,h,mh,m,1,流 量,面 积,湿 周,水力半径,梯形断面的水力计算,底宽b,水深h,边坡系数m,基本要素,或,21,Q(校核渠道输水能力),b,h,mh,m,1,例 - 1,m, b, h, n, i,已知,求,流 量,面 积,湿 周,水力半径,22,i (设计渠槽的底坡),b,h,mh,m,1,例 - 2,m, b, h, n, Q,已知,求,流量,面 积,湿 周,水力半径,流量模数,底坡,23, 恒定流 Q 沿程不变 为棱柱型渠道 i 和 n 沿程不变 i 0,明渠均匀流动的形成条件,只有人工渠道才能严格满足。,实际工程中，经常需要在河渠上架桥、设涵洞、筑坝、建闸和设立跌水等，破坏均匀流的产生条件，形成非均匀流。,9.3 明渠流的两种流态与佛汝德系数,24,断面平均流速v和水深h沿程变化。,明渠非均匀流的特征,水力坡度J（总水头线坡度）、水面坡度Jp（测压管水头线坡度）和渠道底坡 i 互不相等 。,重力在流动方向上的分量和阻碍水流运动的摩擦力不相平衡 。,均匀流,非均匀流,25,由于明渠非均匀流的断面平均流速v和水深h沿程变化，所以水面线一般为曲线（称水面曲线）。,研究非均匀流就是定性分析、定量计算水面曲线。,如桥梁勘测设计时，为预计建桥后墩台对河流影响，需计算桥址附近的水位标高；河道上筑坝蓄水，为确定由于水位抬高造成的水库淹没范围，亦要进行水面曲线的计算。,为掌握流动状态的实质，定性分析、定量计算水面曲线之前，首先要确定明渠水流的流动类型及判别。,26,实验室中缓流现象,急流现象,凭直觉，水流有缓、有急，Q一定，h大，v小，水流平缓；h小，v大，水流湍急。,27,当渠道中有障碍物产生干扰时，干扰波只能向下游传播。,急流,当渠道中有障碍物产生干扰时，干扰波既能向上游传播，又能向下游传播。,缓流,流动类型,下面介绍五种判别流动类型的方法。,缓流、急流中间存在不稳定的临界流。,临界流,28,一.波速法,v：渠中水流断面平均流速； c：静水中干扰波的传播速度。,连续方程,能量方程,矩形断面,B：水面宽度；h：渠中平均水深。,绝对速度,“+”：顺流方向； “-”：逆流方向,29,绝对速度,30,二.弗劳德数法,重力与惯性力的比值,用 代替l,31,三.断面比能法,水流的三种流动类型也可以从能量的角度进行分析判断。,总机械能,断面比能：单位重量液体相对于过水断面最低点处水平面的总能量。,32,当断面形状、尺寸、流量一定时，Es只是水深h的函数。,当h0，A0，Es，则断面比能曲线与水平轴渐近相切；,当h，A，Esh，则断面比能曲线与Es=h线渐近相切。,临界水深hcr,33,34,四.水深法,关键是确定临界水深。,矩形断面渠道临界水深的计算公式,式中 hcr：临界水深；q：单宽流量。,35,五.底坡法,明渠中发生均匀流时的水深。,正常水深h0,明渠中对应断面比能Es最小的水深。,临界水深hcr,水流的正常水深刚好等于临界水深时的渠底坡度。,临界底坡icr,宽矩形断面渠道,36,在一定流量下，若渠道实际坡度 i hcr ，此时渠道称缓坡渠道；若渠道实际坡度 i = icr，则h0 = hcr ，渠道称临界坡度渠道；若渠道实际坡度 i icr，则h0 hcr ，渠道称陡坡渠道。,均匀流,9.4 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程,9.4.1 微分方程,在底坡为 i 的明渠中，沿水流方向任取一微分段dS，以O-O为基准面，1-1和2-2 断面的伯努利方程为,取 ，忽略局部水头损失 ，沿程损失近似采用均匀流公式，即令 或,化简,式中，K、v、C、R采用流段上、下游断面的平均值。,当 时， ，略去高阶项 ，得,两边除以dS，化简得,明渠恒定非均匀渐变流基本微分方程。,因为,对非棱柱体渠道，,所以,非棱柱体明渠非均匀渐变流微分方程：,式中， 。,对于棱柱体渠道， ，所以,由上式可知，水深沿程的变化规律与渠底的坡度 i 及实际水流的流态有关，应根据不同的底坡和不同的流态具体分析。,（9.17）式主要用于探讨棱柱体渠道水面线的变化规律。,9.4.2 水面曲线分析简介 1、分析依据 （1）明渠非均匀渐变流微分方程,h-水深，S-流程 ，K-流量模数 （2）不同流态明渠流的特性：Fr（3）不同明渠底坡的特性：i（4）研究范围：棱柱体明渠,2、 水面曲线分类,降水曲线,3、分析工具,（1）三种底坡： 正坡、平坡和逆坡,正坡：缓坡、陡坡和临界坡,（2）两条控制线： 正常水深控制线：N-Nh0 临界水深控制线：K-Khk,（3）明渠流场的12个变化区间：,不同底坡与控制线的组合,正坡渠道（ i 0）,4、明渠流的12种基本水面曲线,（1）缓坡上的3种水面曲线,缓坡：,，代入（9.17）式，得,综上分析，为a1型水面线是上游以N-N 线为渐近线，下游为水平线，形状下凹的壅水曲线。,综上分析，为b1型水面线是上游以N-N 线为渐近线，下游发生水跌，形状上凸的降水曲线。,综上分析，为c1型水面线是上游由出流条件控制，下游发生水跃，形状下凹的壅水曲线。,a1型壅水曲线,b1型降水曲线如左图所示 c1型壅水曲线如左图所示,（2）陡坡上的3种水面曲线,陡坡水面线的型式及实例见下图,（3）临界坡上的2种水面曲线,(4)平、逆坡上的4种水面曲线,平、逆坡上的4种水面曲线及实例见下图, 每个流区只可能出现一种水面线, a、c 区均为壅水曲线，b 区均为降水曲线,5、 水面线变化规律分析,（1）分析原则, 水面接近K-K线趋于正交，水面接近N-N线，趋于渐近, 控制断面：急流在上游；缓流在下游, 正坡长渠道远端为均匀流,（2）水面线连接的规律, 缓流向急流过渡：, 急流向缓流过渡：, 临界坡中,视相邻底坡确定流态,例1 缓坡连接缓坡，（i1i2）,例2 陡坡连接缓坡:,例3 缓坡连接陡坡:,例4 闸孔出流。,69,流量一定，缓坡渠道中的均匀流一定是缓流 ，陡坡渠道中的均匀流一定是急流 。,在流态转变处，即从缓流到急流或从急流到缓流的过渡处，水面变化剧烈（ 较大），属于急变流。,急变流的特征：流线弯曲显著；曲率较大；过水断面上压强分布不符合静水压强分布规律。,目前对于急变流的研究在理论上不如渐变流成熟，也无统一的分析方法，一般都是采用动量方程从分析整体运动入手，由实验求得经验、半经验公式确定系数，以满足工程要求。,9.6 水跃与跌水,70,一.水跌（跌水）,水流从缓流向急流过渡的局部水力现象，称水跌（跌水）。,水流从缓流向急流过渡将经过临界水深，并且产生水面降落。,由缓坡接陡坡的渠道，缓坡渠道末端有跌坎，以及水库出口接陡坡渠道等一般都将产生水跌现象。,71,由缓坡接陡坡的渠道,缓坡渠道末端有跌坎,水库出口接陡坡渠道,72,自然水跌现象,实验水跌现象,73,二.水跃,水流从急流向缓流过渡时发生的水面突然跃起的局部水力现象，称水跃。,溢流坝泄流形成水跃现象,闸下出流形成水跃现象,74,发生水跃过程中，水流内部产生强烈的摩擦、掺混作用，消耗大量机械能，因此水跃是非常有效的消能工。,跃前断面：A1,跃后断面：A2,A1,A2,h,h,跃前水深：h,跃后水深：h,lj,共轭水深：h、h,跃高：a= h-h,跃长lj ：跃前、跃后断面的水平距离,75,水跃的类型,按照水跃发生位置或ht与hc 的对比关系分,远驱式水跃,临界式水跃,淹没式水跃,76,远驱式水跃,临界式水跃,淹没式水跃,水跃发展过程,77,一、堰流,为了泄水或引水等目的，常在河道或渠道中修建诸如溢流坝、泄水闸等水工建筑物以控制水流的水位及流量，主要有各种堰和水闸。本章将研究堰流和闸孔出流。,研究水流状态和过流能力。,过闸、堰水流虽为急变流，但其上、下游为均匀流，应用能量方程、连续方程可求解。,1.研究任务,2.研究方法,9.7 堰流,78,（1）堰流：从顶部溢流而水面不受约束的壅水建筑物，称为堰；通过堰的水流称为堰流。,（2）闸孔出流：有闸门控制水流的泄水建筑物，称为闸；通过闸孔的水流称为闸孔出流。,3.定义,79,二.工程中的堰流与闸孔出流现象,闸孔出流,闸孔出流,堰 流,堰 流,80,三.堰的分类及堰流、闸孔出流的判别标准,堰的分类,（1）按照的大小分,薄壁堰,实用堰,宽顶堰,过渡到明渠流,：堰壁厚度,：堰上水头,81,（3）按下游水深,（2）按堰的形状,三角堰,矩形堰,梯形堰,自由式堰：下游水深很小，不影响堰流性质（过流能力）,淹没式堰：下游水深很大，影响堰流性质,82,几种常见堰形,83,四.堰流、闸孔出流的判别,堰 流,堰 流,闸孔出流,闸孔出流,其中 e闸门开度 H堰、闸前水头,84,堰流的基本公式,一. 薄壁堰流,主要作量测设备，有矩形堰、三角堰、梯形堰等,三角堰,单位：m,85,实用堰的剖面有曲线型和折线型两种。,（二）实用堰流,水利工程中的泄水和引水建筑物运用过程中，兼有蓄水、挡水作用，承受巨大荷载，不宜建成薄壁堰，大多采用实用堰型。,曲线型,WES剖面,克奥剖面,折线型,矩形剖面,梯形剖面,86,工程中的宽顶堰流现象,三. 宽顶堰流,87,宽顶堰的流量系数m,宽顶堰的流量系数 m 0.320.385,宽顶堰的流量系数m取决于堰的进口形式和堰的相对高度P1/H 。,