《非均匀流》PPT课件.ppt
水力学,第七章 明渠恒定非均匀流,产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生非均匀流动。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此不平行，。水深沿程变化。,主要研究的任务：就是分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等。,为了区别，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。非均匀流的水深以h表示。,明渠水流的流态,缓流：水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播,急流：水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而不能向上游传播,明渠非均匀流的一些基本概念,一、明渠水流中的三种流态,当 时，水流为缓流；当 时，水流为临界流；当 时，水流为急流。,二、明渠水流流态判别：,明渠水流中微波的相对波速,当 时，水流为缓流；当 时，水流为临界流；当 时，水流为急流。,流态判别数弗汝德数,定义弗汝德数：,临界流时，所以,弗汝德数的物理意义：,表示过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水流的平均动能所占的比例愈大。,表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流时，重力对水流起主导作用。,三、断面比能（断面单位能量）,O,O,h,z0,z,o,o,O,O,z0,断面上单位重量液体所具有的总能量：,定义断面比能：,将各断面的基准面选择在过水断面的最低点的位置，此时所具有的总机械能称为断面比能Es。,则：,E与Es的区别 1）E在整个流程上为同一基准面 所以 E沿程总是减小 Es 不同断面的基准面不同，即沿程可升可降，或不变2）E的基准面任意选取,Es的基准面为断面的最低点 3）两者相差一个位置高度Z0,表达式为：,当流量一定，过水断面的形状和尺寸又不变时：,断面比能曲线：,上支，,下支，,时，,断面比能沿流程可能减小、增加或不变。,四、临界水深,断面比能最小值时所对应的水深，称为临界水深,临界水深的大小仅取决于流量和过水断面的形状、大小，而与明渠的底坡，糙率无关。,利用临界水深判别流态：,当 时，水流为缓流；当 时，水流为临界流；当 时，水流为急流。,临界水深的计算,矩形断面明渠时：,单宽流量,梯形断面明渠时：,试算法,图解试算法,图解法：查附图,五、陡坡、缓坡、临界坡,当均匀流水深正好等于临界水深时，相应的底坡称为临界底坡。,影响临界水深hk的因素：流量、断面形状及尺寸,影响正常水深h0的因素：流量、断面形状及尺寸、糙率、底坡,临界流,均匀流,时，临界坡；,水流应满足明渠均匀流和临界流的关系：,临界底坡的计算公式：,明渠水流流态的各种判别方法,例7-3,例7-5,明渠非均匀急变流现象水跌与水跃现象,当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象，称为水跌现象。,当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃现象。,急流,水跌简介,水流由缓流过渡到急流称为水跌。由于急变流的水面变化规律与渐变流不同，水流流线很弯曲，实际上跌坎断面的水深hD约为0.7hK，而水深等于hK的断面约在跌坎断面上游(34)hK处。,控制断面,水跃的特点,水跃是典型的明渠急变流。1）水跃组成：表面旋滚+扩散主流 跃前水深h(hk)称为共轭水深。水流经水跃区由急流变成缓流。2）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，有很强的消能特性。,棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析,几点说明：,1.可能出现的情况及其水面曲线的形状特征,若，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线若，则水深沿流程减小，水面为降水曲线若，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面若，则水面趋向于水平面若，则水面与流向趋于重直,明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式,水深h（或水位z）沿流程的变化情况,明渠渐变流水面曲线分析,几个概念 N-N线：以正常水深 h0 绘出的均匀流水面线。K-K线：以临界水深 hk 绘出的水面线。明渠底坡分类：正坡(i0)能发生均匀流 平坡(i=0)不能发生均匀流 负坡(i0)不能发生均匀流,2.影响水深沿程变化的因素,底坡i,流态Fr，用hk直观反映,i0时，比较h与h0,3.明渠流的分区:均匀流的正常水深线N-N 线，距渠底hk的临界水深线K-K 线，可把渠道划分成三个不同的区域，如图：a区：hho 且 hhk b区：h0hhk 或 h0hhk c区：hh0 且 hhk,a1,a3,a2,b1,b2,b0,b,c1,c2,c3,c0,c,缓坡a区的水面线分析,该区实际水流的水深,壅水曲线,向上游,以N-N线为渐近线,向下游,以水平线为渐近线,a1,缓坡b区的水面线分析,该区实际水流的水深,降水曲线,向上游,以N-N线为渐近线,向下游,与K-K线有成垂直的趋势,b1,缓坡C区的水面线分析,该区实际水流的水深,壅水曲线,向下游,与K-K线有成垂直的趋势,向上游水深受来流条件所控制。,各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：,a、c区为壅水曲线；b区为降水曲线,当hh0时，以N-N线为渐近线；,当hhk时，与K-K线有成垂直的趋势；,当h时，以水平线为渐近线,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（一）,第一步：定出各段渠道上的K-K线与N-N线（正坡时）；,第二步：分析变坡渠道上、下游的水流流动情况，定出控制水深；,第三步：画出非均匀渐变流的水面线,b1,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（二）,a1,b1,b2,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（三）,b0,b2,b0,b2,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（四）,当闸门下游平坡渠段L的大小变化时，水面线会出现哪些形式？,明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算,分段求和法,计算公式,计算方法：,首先将明渠划分成若干流段，然后由流段的已知断面求未知断面，逐段推算。,根据不同情况，实际计算可能有两种类型：,（1）已知流段两端的水深，求流段的距离s,（2）已知流段一端的水深和流段长s，求另一端断面水深,适用于棱柱体明渠，先分析出水面曲线的变化趋势，根据已知的一端水深，假设另一端水深，求出其s,可用于棱柱明渠和非棱柱体明渠，计算时可假设另一端断面的未知水深，计算出一个s，与已知的s相等则假设水深即为所求，若不等，需重新假设，直到算得的s与已知的s相等为止。,例7-10,
