第六章 明渠均匀流ppt课件.ppt
明渠均匀流,第六章,明渠均匀流属于明渠水流的一种。,明渠水流,恒定流,非恒定流,非均匀流,均匀流,流线为相互平行的直线,表面相对压强为零，为无压流,运动要素不随时间变化,第一节 概述,第二节 明渠均匀流的计算公式,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,第六节 复式断面渠道的水力计算,本章纲要:,垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线组成的断面,梯形断面,河道断面,矩形断面,2.反映断面的形状特征值称为断面水力要素。,底宽,水深,边坡系数,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称为棱柱体渠道。断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。,第一节 概述,一、基本概念,1.明渠的横断面,3.明渠的底坡,明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。,i 0顺坡、正坡,i等于渠底线与水平线夹角的正弦，即i=sin。,i=0平坡,i 0逆坡、负坡,第一节 概述,基本概念,通常i0.01，可以采用近似处理：1.过水断面可由水流中所取的铅垂断面代替；2.两断面间的距离可由水平投影长度来代替。,明渠总结,明渠,沿程断面形状尺寸是否变化,非棱柱形渠道,棱柱形渠道,底坡i=sin,顺坡,平坡,逆坡,i0,i=0,i0,过水断面面积只与水深有关,过水断面面积与水深、位置有关,断面形状多样,第一节 概述,基本概念,第一节 概述,二、明渠均匀流的特征,水力特征,几何角度,运动学角度,能量角度,质点做等速直线运动（均匀流）,力学角度,概述,二、明渠均匀流的特征,几何特征,总水头线,水面线(侧压管水头),底面坡度,几何特征：三线平行,概述,二、明渠均匀流的特征,能量特征：对于单位重量液体，重力功=阻力功,能量特征,根据能量关系：,第一节 概述,三、明渠均匀流产生的条件,1、水流应为恒定流。,4、渠中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。,2、流量沿程不变，即无支流的汇入或分出。,3、渠道必须是长而直的棱柱形顺坡明渠，且i、n沿程不变。,严格满足以上条件的渠道不存在，作近似处理。,第一节 概述,1、顺直棱柱形渠道中的恒定流：当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，实际上常按均匀流处理。,说明：,2、天然河道：因其断面形状尺寸、底坡、粗糙系数一般均沿程改变，所以不会产生均匀流。但对于较为顺直、整齐的河段，当其余条件比较接近时，也常按均匀流公式作近似计算。,第二节 明渠均匀流的基本计算公式,谢才公式,基本计算公式,连续性方程,流量模数：当断面形状尺寸、n值一定时，K=f(h)；均匀流水深叫正常水深，用h0表示。,断面面积(m2),注：通常谈到的某一渠道的输水或排水能力时，指的是在一定正常水深h0时所通过的流量Q。,第二节 明渠均匀流的基本计算公式,谢才公式,断面平均流速(m/s),曼宁公式,水力半径(m),J=i,谢才公式,巴氏公式,适用范围:R0.5m且n0.02,适用范围:0.1mR3m 且0.01ln0.04,n：粗糙系数,第二节 明渠均匀流的计算公式,1.若n 值选的偏小，计算所得断面也偏小，易发生漫溢。,粗糙系数n,粗糙系数n,综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流的阻力作用。,2.若n值过大，不仅造成浪费还会因实际流速过大而造成冲刷。,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,一、水力最优断面,1.定义,2.条件,必最小！,当i、n不变时，在断面积相等的各种断面形状中通过流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。,要使Q最大。,问题实质：,3.应用,在明渠设计时：水力最优条件只是应考虑的因素之一。实际中必须依据造价、施工技术、运转要求和养护等各方面条件综合考虑和比较。,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,一.水力最优断面,1、梯形水力最优断面计算,问题本质？,确定适当的水深h和渠底宽b，使断面流量Q最大。,欲使断面流量Q最大，即在面积一定时，湿周最小。,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,一.水力最优断面,边坡系数m,水深h,渠底宽b,m=cota,梯形截面湿周计算,m由边坡稳定性确定，计算中m一定,断面面积,湿周,1、梯形水力最优断面计算,断面参数,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,一.水力最优断面,断面参数,最小,特殊地，矩形断面：m=0；即b=h;,1、梯形水力最优断面计算,第三节 明渠水力最优断面和允许流速,二、允许流速,渠中流速过大会造成冲刷，过小形成淤积。,vmin：不淤允许流速。,vmax的大小决定于土质情况，即土壤种类、颗粒大小和密实程度，或决定于渠道的衬砌材料，以及渠中流量等因素,vmin：为了防止植物在渠道中滋生、淤泥或沙的沉积，渠道中断面平均流速分别不低于0.6ms、0.2ms或0.4ms。,vmax：不冲允许流速。,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,一、验算渠道过流能力,二、计算渠道底坡,问题：已知b、h、m、n、i；求Q,计算依据：,计算类型：,方法：,问题：已知b、h、m、n、Q；求i,方法：,三、计算渠道断面尺寸,问题：已知条件多样；求h，b,方法,图解法,查图法,解方程组,直接代公式。,直接代公式。,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,1、已知Q、h、m、n、i，求b,(1)试算图解法：,绘制bQ曲线。,(2)查图法：,先计算出,，查附表得出相应的h/b值，,从而确定底宽b。,三、计算渠道断面尺寸,0.0,已知Q，,Q已知,b求,根据曲线得出b。,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,2、已知Q、b、m、n、i，求h,(1)试算图解法：,绘制hQ曲线。,(2)查图法：,先计算出,，查附表得出相应的h/b值，,从而确定底宽h。,三、计算渠道断面尺寸,0.0,已知Q，,Q已知,h求,根据曲线得出h。,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,三、计算渠道断面尺寸,3、已知Q、m、n、i、b/h，求b、h。,(1)试算图解法：,绘制bQ曲线或hQ曲线。已知Q，根据曲线得出h或b,(2)查图法：,【注】对于小型渠道，一般按水力最优设计，即b/h已知：,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,三、计算渠道断面尺寸,4、已知Q、m、n、i、vmax求b、h。,求解b和h，舍掉一组不合理的解,联立：,计算方法：解方程组,例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s，边坡系数m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系数n=0.0225，底宽b=1m。求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。,解：根据谢才满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有,设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的Q值如下表,h(m)0.5 0.75 1.0 Q(m3/s)1.07 2.29 4.03,从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=0.86m。,第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题,三、计算渠道断面尺寸,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,无压管道是指不满流的长管道，如下水管道。考虑到水力最优条件，无压管道常采用圆形的过水断面，在流量比较大时也采用非圆形的断面。下面仅讨论圆形断面的情况。,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,一、水力要素,过水断面：,水力半径：,流速：,湿周：,流量：,充满度：,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,二、水流特征,无压短管水流,水流现象,计算方法,宽顶堰理论,沿程水头损失比局部水头损失小得多,1.无压短圆管水流,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,二、水流特征,2、无压长圆管流,无压长圆管水流,直径不变顺直管道：相当于明渠均匀流,流量：,=h/d=0.94，Q/Q0=1.087，达到最大值,=h/d=0.81，v/v0=1.160，达到最大值,v0和Q0分别是满流时的流速和流量。,第五节 无压圆管均匀流的水力计算,三、无压管道的计算问题,主要采用方法：断面分区计算法,第六节 复式断面渠道的水力计算,再 见!,返回,
