《水力学讲义》PPT课件.ppt
水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点:流线不是相互平行的直线，同一条流线上各点的流速(包括大小和方向)不同，明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。在明渠非均匀水流中，若流线是接近于相互平行的直线或者说流线间夹角很小，流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。反之为明渠非均匀急变流。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流 本章着重研究在恒定流情况下，明渠非均匀渐变流的水流要素沿流程的变化规律，主要研究明渠水深(或水位)沿流程的变化规律，也就是要分析研究关于水面曲线的变化及其计算，以便恰当地确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等等。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.1 明渠水流的三种流态 缓流：当明渠中水流受到干扰微波后,若干扰微波既能顺水流方向朝下游传播,又能逆水流方向朝上游传播,造成在障碍物前长距离的水流壅起,这时渠中水流就称为缓流。（如图）此时水流流速小于干扰微波的流速，即 w。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流急流:当明渠中水流受到干扰后,若干扰微波只能顺水流方向朝下游传播,不能逆水流方向朝上游传播,水流只在障碍物处壅起,这种明渠水流称为急流（如图)。此时水流流速大于干扰微波的流,即w。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流临界流：当明渠中水流受到干扰微波后，若干扰微波向上游传播的速度为零，这正是急流与缓流这两种流动状态的分界，称为临界流。此时=vw。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流明渠水流流态的判别依据是佛汝德数 Fr:弗汝德数:Fr=当Fr 1，水流是缓流，当Fr=1，水流是临界流，当Fr 1，水流为缓流。,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!In case of you have any question,DO NOT hesitate to ask me!,欢 迎 提 问,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.2 断面比能与临界水深一、断面比能、比能曲线 断面比能Es是以通过明渠断面最低点的水平面为基准的单位重量水体所具有的总机械能，可表示为：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流 当断面的形状、尺寸和流量一定的时候，Es只是水深h的函数。取=1，可导出：从上式可知：当0，必定Frl，水流是缓 流。当0，则Frl，水流是急流。当0，Fr1，是临界流，这时Es取极小值，对应的水 深是临界水深hk。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流二、临界水深hk 临界水深 hk是讨论明渠水流运动和水面线的重要参数，其计算公式为：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流临界水深hk的计算方法为试算图解法、选代计算和查图法。要求能记住矩形断面明渠临界水深的计算公式：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流利用梯形断面明渠临界水深hk 可以判别明渠水流的流态：当明渠内水深hhk，水流为缓流；当明渠内水深hhk，水流为急流；当明渠内水深h=hk，水流为临界流。,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!In case of you have any question,DO NOT hesitate to ask me!,欢 迎 提 问,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.3 临界底坡、缓坡与陡坡1、临界底坡（critical slope）：在棱柱形渠道中，断面形状尺寸、流量一定时，在渠中形成均匀流，若均匀流的正常水深恰好等于该流量的临界水深，则这个渠道的底坡就称为临界底坡。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流明渠均匀流的基本方程式：Q=AK CK(RK iK)1/2临界水深的条件式：则临界底坡的计算式为：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流2、底坡的分类 缓坡、陡坡、临界坡 缓坡（iik）：即实际的明渠底坡大于某一流量下的临界坡度，此时的渠底坡度称为陡坡。临界坡（i=ik）：即实际的明渠底坡等于某一流量下的临界坡度，此时的渠底坡度称为临界坡。,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!In case of you have any question,DO NOT hesitate to ask me!,欢 迎 提 问,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.4 临界水深的一些实例 在分析明渠水流问题时，了解那些场合会出现临界水深，具有重要的意义。因为只要测得一个断面上的临界水深并量取了该断面的尺寸，其流量即能简便而精确地估算出来，如在明渠中，若知道发生临界水深断面的位置，就相当于取得一个已知条件（水深为临界水深），把该断面作为控制断面，据此来推求上下游水面曲线。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.5 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式以0-0为基准面，列断面1-1和2-2的能量方程：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流展开并略去高阶项 有：忽略局部水头损失：棱柱形明渠：,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流底坡：则得棱柱形渠道中水深沿程变化规律的基本微分方程：,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!In case of you have any question,DO NOT hesitate to ask me!,欢 迎 提 问,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流6.6 棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析棱柱体明渠渐变流水面曲线分析的基本方程是：首先将明渠按底坡性质分为三种情况：正坡（i0），平坡（i=0），逆坡（i0）.,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流明渠流的分区:均匀流的正常水深线N-N线，距渠底hc的临界水深线C-C线，可把渠道划分成三个不同的区域，如图：a区（1区）：hho 且 hhc b区（2区）：h0hhc 或 h0hhc c区（3区）：hh0 且 hhc,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流一、正坡渠道 1、缓坡渠道（ici0）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流a、在1区内的水面曲线，为M1型壅水曲线。(hhohc)b、在2区内的水面曲线，为M2型降水曲线。(hohhc)c、在3区内的水面曲线，为M3型壅水曲线。(hohch),水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流 2、陡坡渠道（iic 0）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流a、在1区内的水面曲线，为S1型壅水曲线。（hhch0）b、在2区内的水面曲线，为S2型降水曲线。（h0hhc）c、在3区内的水面曲线，为S3型壅水曲线。（hch0h）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流3、临界渠道（i=ic）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流 流动只有在1区和3区，只存在C1型壅水曲线和C3型壅水曲线。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流二、平坡渠道（i=0）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流临界水深线C-C，将流动分为2区和3区，分别为：H2型降水曲线和H3型壅水曲线,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流三、逆坡渠道（i0）,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流临界水深线C-C，将流动分为2区和3区，水面线分为：A2型降水曲线和A3型壅水曲线。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流四、水面曲线的特点 1.所有位于1区和3区的水面线都是水深沿程增加的壅水曲线，所有位于2区的水面曲线都是水深沿程减少的降水曲线。2.除了临界坡渠道中的两种水面曲线C1及C2外的其它水面曲线，当水深h趋近于h0时，水面曲线以N-N为渐近线;当水深h趋近于hc时，水面曲线趋向于与C-C线正交。,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流五、水面曲线的定性绘制步骤 1、求出渠道正常水深h0和临界水深hc，然后将渠道流动空间分区。需要注意：只有在正坡渠道中才存在h0，而且底坡i增大，h0减小；临界水深hc与底被i无关。2、选择已知水深的断面作为控制断面。3、由控制断面处的已知水深确定所在流区的水面线形式，根据水面线变化规律，从控制断面分别向上游或下游确定水面线的变化趋势。,水力学讲义,如果您有任何问题，请毫不犹豫地提出!In case of you have any question,DO NOT hesitate to ask me!,欢 迎 提 问,水力学讲义,第六章 明渠恒定非均匀流 谢 谢！,
