工程流体力学放映10章课件.ppt

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1、2022/12/10,1,第十章,明渠流和闸孔出流及堰流,2022/12/10,2,掌握明渠均匀流产生的条件、特征、水力计算；,掌握明渠渐变流的特征，断面单位能量、临界水深、 临界底坡计算，急流与缓流的判别。,学习重点,2022/12/10,3,理解闸孔出流计算,掌握宽顶堰水力计算,另外还应理解水跃现象及其基本方程，会定性分析 棱柱形渠道中非均匀渐变流水面曲线 。,2022/12/10,4,明渠是一种具有自由表面液流的渠道。,一、明渠流特征：,2022/12/10,5,二、特点：,2022/12/10,6,1、据明渠的形成条件：,三、明渠分类：,过流断面为规则图形。,2022/12/10,7,

2、2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：,2022/12/10,8,3、按过流断面的几何形状：,2022/12/10,9,i 0,i = 0,i 0,4、按渠道底坡：,2022/12/10,10,底坡坡度, 沿渠道作一纵向剖开，渠底成一斜 线，此斜线的坡度称为底坡坡度。,2022/12/10,11,若很小，则：,2022/12/10,12,5、按流动是否恒定：,6、按流动是否均匀：,2022/12/10,13,四、适用范围：,2022/12/10,14,101 恒定明渠均匀流,一、特性及发生条件,1、水力特性：,2022/12/10,15,2、形成条件：,在实际工程中，大多都属于非均匀流，

3、但在一定的条件下，可将某段流动近似地视为均匀流，以简化计算。,2022/12/10,16,1、流速：,2、流量：,二、基本公式谢才公式,输水能力 在一定的正常水深时通过的流量。,2022/12/10,17,1、水力最优断面：,分析：,三、水力最优断面和允许流速, Q = f ( 断面尺寸，形状，n，i )，,而 i 一般可据地势而定，n 可据材料而定。, Q = f ( 断面尺寸，形状 ),2022/12/10,18,1 当 n , i 一定时，使渠道通过流量最大的 断面形状即 水力最优断面。,2 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。,2022

4、/12/10,19,（1）最优断面推导曼宁公式,当 n、i、A 一定时，x 最小，可使 Q 最 大，从理论上分析，此时的过流断面应 为圆形，但因圆形断面施工困难，平日 维护不便，故一般多采用梯形断面。,2022/12/10,20,（2）梯形断面水力最优条件：,2022/12/10,21,（3）注意：,水力最优只是从水力学角度考虑， 在实际 工程中还应考虑工程造价、施工技术、运转费用、养护管理等， 诸多方面的因素从而选择 经济合理的断面。,2022/12/10,22, 渠道既不遭冲刷，又不产生淤积的设计流速。,渠道设计除考虑水力最优、最经济外，还应考虑渠道的防冲刷和防淤积能力，以保证液体流动畅通

5、，不影响其输水能力。,2、渠道允许流速,2022/12/10,23,即： vmin v vm ax,2022/12/10,24,3、渠道设计应注意的问题：,2022/12/10,25,方法：,四、水力计算基本问题,以梯形断面 为例分析,1、验算渠道的输水能力。,验算 v 是否合乎要求。,2022/12/10,26,2、计算渠道的粗糙系数。,2022/12/10,27,3、设计渠道底坡。,2022/12/10,28,4、设计渠道断面尺寸。,2022/12/10,29,（1） b 已定，h 待定 。,k h 线,2022/12/10,30,（2）h 已 定，b 待定。,（3） 已定，求相应的 b

6、， h 。,2022/12/10,31,方法：,（4） 据 vm ax 设计 b, h 。,2 计算：,1 先找出过流断面各 要素之间的关系：,2022/12/10,32,五、圆形断面水力最优计算,1、无压圆管各水力要素之间的关系（ p67）。,2022/12/10,33,（1） 当=1 时， 为满管流动；,（2） 当 1 时，为不满管流动。在污水管路 设计中，为通风、防暴及适应污水量的变 化，一般均应设计为不满流。,2022/12/10,34,2、水力特征：,2022/12/10,35,3、计算图表（图109）,为了计算方便，可将繁杂的公式化关 系绘成表格。 图表中采用无量纲组合量形式，可适

7、用于不同 d、n 时的情况。,2022/12/10,36,两条曲线：,（1）,2022/12/10,37,（2）,2022/12/10,38,0.94,0.81,2022/12/10,39,4、水力最优点：,2022/12/10,40,即 h = 0.81 d 时，其流速最大，且 vmax = 1.14 vd,解释：因为圆形断面在半管以上充水时，经过某 一水深时后，其湿周的增速比面积的增速 大，水力半径开始减小，Q、 v 反而下降。,2022/12/10,41,5、水力计算（四类）,6、设计中应注意的问题。,2022/12/10,42,（5） 对于最小管径、最小设计坡度的规定：,（3） 排水管

8、的最大设计流速：,（4） 排水管的最小设计流速：,可参阅有关手册与规范。,2022/12/10,43,六、复式断面明渠均匀流水力计算,2022/12/10,44,1、非均匀流的产生及特征：,10-2 恒定明渠（非均匀）流的流 动型态和若干基本概念,（1）产生：,1 人为因素在渠道上建桥、设涵、修坝等水 工建筑，会破坏发生均匀流的条 件，从而产生非均匀流。,2022/12/10,45,2 自然因素河渠受大自然作用，过流断面、底 坡发生改变，产生非均匀流。,（2）特征：,2022/12/10,46,2、分类：,h 沿程无突变，流线近似平行直线，过流断面压强分布 符合静水压强分布。,h 沿程急剧改变

9、，流线间夹角很大。,明渠非均匀流要解决的问题：,2022/12/10,47,一、缓流和急流,有： v c,c 干扰波波速,主要发生在底坡比较平坦，水流徐缓的平原区河段中。,2022/12/10,48,2、急流,若障碍物对水流的干扰只对附近水流 有局部影响，则为急流。,有： v c,主要发生在底坡陡峻，水流湍急的河渠中。,明渠流的水面线型与流态有关，故分析水面线应先判断流态。,2022/12/10,49,二、明渠流流动型态判别标准弗汝德数,2、弗汝德数 Fr,1、微波的绝对波速（自阅）,反映了惯性力与重力之间的关系。,2022/12/10,50,3、流态判别标准：,2022/12/10,51,三

10、、断面单位能量、临界水深、临界底坡,1、断面单位能量,基准面选在过流断面最低处时，流体所 具有的机械能。,（1） 任一点的总机械能：,2022/12/10,52,（2） 任一点的断面单位能量：,E断面单 位能量， 也称比 能。,2022/12/10,53,（3）E 与 H 的比较：,2022/12/10,54,依据：,（4）E与 h 的关系曲线：,2022/12/10,55,E1=h,E=E1+ E2,2022/12/10,56,（ 5 ）关系曲线分析：,1 上支：,缓流,E 随 h 的增加而增加。此时，势能（E1）占主导地位，E 的变化主要表现在 h 的变化。这种水流遇到局部干扰时，表现为水

11、位的壅高或降低。,2022/12/10,57,2 下支：,急流,E 随 h 的减小而增加。此时，动能（E2） 占主导地位，E 的变化主要表现为 v 的变化。 这种水流遇到局部干扰时，表现为水位的局 部隆起。,2022/12/10,58,2、临界水深 hcr,（1）临界水深计算式：,对应断面单位能量最小的水深。,2022/12/10,59,当给定渠道流量、断面形状和尺寸时，就可由上式求得 hcr 值。由此可知：hcr与断面形状、尺寸及 流量有关； h0与 i ，n 有关。,2022/12/10,60,（2）hcr 的求解方法：,2022/12/10,61,3、临界底坡 icr,正常水深恰好等于临

12、界水深时的渠底坡度。,既满足均匀流关系式又满足临界流关系式,2022/12/10,62,4、缓坡、急坡、临界坡,2022/12/10,63,四、判别流动型态的标准,1、缓流：,2、急流：,3、临界流：,2022/12/10,64,103 水跃和跌水,一、水跃,1、水跃现象：,2022/12/10,65,（2）发生原因：,由水深较小的急流受到下游水深较大的缓流阻挡，迫使局部水流强烈混掺，流速骤降， 急流的动能大量消耗，剩余动能在局部渠段内，急剧转为势能，由此引起局部水位急剧升高，呈水跃现象。,2022/12/10,66,（3） 水跃图示：,2022/12/10,67,（4） 水跃的形式：,完整水

13、跃的一些规律常可作为某些水跃计算的依据，故在此着重讨论之。,2022/12/10,68,2、水跃方程：,（1）几点假设：,2022/12/10,69,（2）方程的推导依据：,动量方程：,2022/12/10,70,（3） 完整水跃方程式：,当 Q 一定时，完整水跃方程式为 水深的函数，故可改写成函数式。,2022/12/10,71,令：,（4）水跃函数：,2022/12/10,72,（5）J（h）随 h 变化曲线：,如图,E=f(h),J = f (h),2022/12/10,73,1 曲线形状相似；,2 在同一水深 hk 时具有最小值；,2022/12/10,74,2022/12/10,75

14、,3、共轭水深计算（水跃方程）,（1）任意断面形状：,2022/12/10,76,（2）矩形断面：,2022/12/10,77,4、水跃的能量损失、水跃长度,（1）能量损失：,主要集中在水跃段，可将此段损失作为 水跃能量的全部损失。,2022/12/10,78,对于平坡、矩形断面 渠道，有：,2022/12/10,79,（2）水跃长度：,L = Lj + L0,2022/12/10,80,（1）远驱式水跃：,水跃能量由势能转变为动能，向下游推移，直到多余势能消失，水位与下游相同为止。,5*、水跃的三种衔接形式：,（2）临界式水跃：,没有多余的能量，水跃结束后，能量与下游相同。,（3）淹没式水跃

15、：,下游前端水流势能大于水跃后端势能， 水跃向上游推移，淹没收缩断面。,2022/12/10,81,二、跌水, 在渠道中，水流由缓流向急流过渡时， 水面突然跌落的水力现象。,2022/12/10,82,基本方程：,104 恒定明渠非均匀渐变流 基本微分方程,摩阻坡度,2022/12/10,83,1水流单位势能的改变 单位动能 +单位能量损失改变。,2022/12/10,84,105 棱柱型渠道中恒定非均匀 渐变流水面曲线分析,可用作水面曲线定性分 析。,1、一般表达式：,一、微分方程,2022/12/10,85,2、讨论：,（1） hhcr 时， Fr1，,即：水流由小于 hcr大于 hcr

16、时，发生水跃； 反之则发生跌水。,水面曲线与临界水深正交。,2022/12/10,86,（2） 水深 h 的沿程变化与 i 有关。,1 i 0时：,3 i0时：,2 i=0时：,可按发生均匀流 Q 2 = k02 i,Q 2 = kcr2 i cr,2022/12/10,87,（1）i 0 （顺坡）：,3、五种底坡、十二个区：,2022/12/10,88,（2）i = 0 （平坡）：,2022/12/10,89,（3） i 0 （逆坡）：,2022/12/10,90,4、分析水面曲线的任务：,（1）据 i，h 与 h0 ，h 与 hcr 的关系及 Fr 数，确 定水面曲线沿程变化规律，即：,（

17、2）指出曲线两端的变化趋势，即极限 情况。,2022/12/10,91,二、定性分析,1、顺坡渠道（i 0）,基本公式,（1）缓坡（i icr）,2022/12/10,92,1 h h0 hcr 时：,aI 型壅水曲线,2022/12/10,93,bI型降水曲线,2 h0 h hcr 时：,2022/12/10,94,3 h0 hcr h 时：,cI型壅水曲线,2022/12/10,95,（2）急坡（i i cr ）,2022/12/10,96,（3）临界坡（i= icr ）,2022/12/10,97,2、 平坡渠道（i= 0 ）,2022/12/10,98,3、逆坡渠道（ i 0 ）,20

18、22/12/10,99,三、水面曲线的特点与分析方法,1、特点：,2022/12/10,100,1 hhcr 时， 水面曲线的连续性中断，与KK 线正交，发生水跃或跌水。,3 h 时， 水面曲线渐趋水平。,2 hh0 时， 水面曲线的渐近线为NN 线。,2022/12/10,101,（3）a 、 c 型曲线在连接 NN 线、KK 线时，都近乎水平。,（4）渠道足够长时，水流可恢复均匀流，水深为正 常水深，水面线为NN线。,2022/12/10,102,2、水面线定性分析要点：,2022/12/10,103,（1）缓坡（包括平坡、逆坡） 急坡：,3、水面曲线衔接的基本规律：,产生跌水，折变处即控

19、制断面，水深可作为临界水深。,2022/12/10,104,（2）急坡缓坡（包括平坡、逆坡）：,2022/12/10,105,（5）临界坡中的流动型态，应视其相邻底坡的急、缓 而定，如上游相邻底坡为缓坡，应视为缓坡过渡 到缓坡，只影响上游。,2022/12/10,106,一、分段求和法,即 ：,106 恒定明渠非均匀 渐变流水面曲线计算,2022/12/10,107,将微分方程改写成差分方程，将整个流动划分成若干微小的流段，在每个流段上应 用差分方程求解，再逐段累加，得整个渠道水面线。,思路：,2022/12/10,108,1、水面曲线计算要解决的问题,2022/12/10,109,2、计算式

20、：,2022/12/10,110,（1）长度不大的棱柱体：,即：,2022/12/10,111,（2）非棱柱体：,2022/12/10,112,3、棱柱型渠道水面曲线计算：,方法：,（1）以某控制断面作 11断面，据水面曲线 的型式定出相邻 22断面，然后以此类 推，逐段计算。,2022/12/10,113,（2）应计算的参数：,（3）总长（水面曲线）：,2022/12/10,114,4、非棱柱型渠道水面曲线计算：,（1）已知条件：i , n , Q , h1， A= f ( h， s ),（2）计算要点：,2022/12/10,115,由 h2计算出 E2、A2、v2 、Jf2 。,缓流向上

21、游算；,急流向下游算。,其中：h2 可假定，一般按 0.1 0.3取值。,2022/12/10,116,若计算出的 s 与给定的相等，则所设 h2 即所求 h2,以上步骤重复逐段求和，即得整段渠道水面曲线。,2022/12/10,117,二、数值求和法（棱柱型渠道）,2022/12/10,118,108 闸孔出流,一、简介,1、闸门底的类型：,2022/12/10,119,2、闸门的型式：,矩形平板闸门； 弧形闸门,3、闸孔的出流型式：,自由式； 淹没式,4、闸孔出流与堰流的判别标准：,2022/12/10,120,5、影响闸孔出流的因素：,2022/12/10,121,二、闸孔出流计算,1、

22、自由式闸孔出流,二维、平坎、矩形闸门,2022/12/10,122,系数见表105。 0.951.0(平坎),2022/12/10,123,2、淹没式,二维、平坎、矩形闸门,、B、e同自由式。,h 由动量方 程推导， 见式 1196,2022/12/10,124,3、自由式、淹没式判别标准：,hc ht,hc hc的 共轭水深。,hc ht,2022/12/10,125,5、举例。,4、闸孔水力计算应注意的问题：,2022/12/10,126,109 堰 流,2022/12/10,127,3、堰的分类：,（1） 依据堰顶厚度：,2022/12/10,128,（2） 依据水流行近堰体的条件：,1

23、 侧收缩堰；,2 无侧收缩堰。,2022/12/10,129,（3） 依据堰与渠道中水流的方向：,2022/12/10,130,（4） 依据堰口的形状：,2022/12/10,131,一、薄壁堰,1、完善堰流与非完善堰流：,当堰上水头H 较小时，水舌将贴壁而下，形成不完善堰流，影响泄流能力；当H 增加时，水舌离开壁面，但如果水舌与壁面间没有良好的通风，仍会出现不完善堰流，故在薄壁堰中应保持水舌下通风充分，以使其为完善堰流。,2022/12/10,132,（1）自由式 （完全堰）,2、矩形薄壁堰,完全堰无侧收缩、自由式、水舌下通风、 矩形、薄壁、正堰。,2022/12/10,133,（2）淹没式

24、堰流（潜堰）：,式 10108,淹没条件：,2022/12/10,134,基本公式同矩 形，可作适当变换，如:式 10110， 10111。,2022/12/10,135,二、实用溢流堰,主要用于蓄水或挡水，其剖面可设计成 曲线型，折线型。,1、分类：,2022/12/10,136,堰面曲线轮廓低于水舌曲线下缘时，在设计 水头下，水舌将在局部范围内与堰面脱离， 形成真空， 即真空堰。,真空堰因存在真空，可使过流能力增加，但负压过大会造成堰表面发 生汽蚀此处的最大允许真空值。 为 35米水柱。,1真空堰,2022/12/10,137,2非真空堰,堰剖面曲线与堰溢流时水的流线一致，水 舌下缘与壁面

25、曲线相吻合，保证在设计水 头下达到最大过流量， 水流作用于液面上 的压强近似大气压。,2、计算式,（1）自由式无侧收缩：,2022/12/10,138,（2）有侧收缩：,（3）淹没式：,2022/12/10,139,三、宽顶堰,小桥过水、无压短涵管、分洪闸、泄水闸等一般都属于宽顶堰水流计算。,1、水力现象分析：,2022/12/10,140,工程中常见的是第二种宽顶堰,2022/12/10,141,2、堰流基本公式：,注：对有侧收缩和淹没宽顶堰在上式的基础上分别乘以侧收缩系数和淹没系数。,系数：,2022/12/10,142,3、淹没判别的标准：,四、堰流水力计算,薄壁堰、实用堰、宽顶堰,20

26、22/12/10,143,116 水工建筑物下游水流衔接与消能,一、简介,1、消能消除或缩短泄水建筑物下游急流段的措施，简称消能。,3、消能的方法:,2022/12/10,144,（1）底流式消能：,（2）面流式消能：,2022/12/10,145,2022/12/10,146,（5）单级跌水或多级跌水：,多用于地形较陡的河渠。,二、底流衔接与消能,水流由堰顶溢流而下，势能减小，动能增加，在cc 处形成收缩断面，cc 处的急流向下游缓流过渡，产生水跃。,2022/12/10,147,1、水跃的衔接形式：,（1） 远驱式水跃：,hc hct ， 跃前急流段较长，河床需加固段加长；,（2） 淹没式

27、水跃：,（3） 临界式水跃：,此种水跃不稳定，下游水位稍有变动，就会引起淹没式或远驱式水跃。,2022/12/10,148,三、底流衔接基本关系式,1、基本关系式：,2、矩型断面：,2022/12/10,149,四、消力池水力计算,1、设计原则：,选定适当的池深和池长，确保在池中的淹没式水跃条件。,利用人工消能措施，将水跃的衔接形式设计为淹没度很小的淹没式水跃，从而保证在较短的距离内可集中消灭余能，使水流在离开消能设施时，已转变为缓流。这种消能设施即消力池。,2、几种主要方法：,2022/12/10,150,3、消力池池深计算：,ht/ = h C / / /,可对11，22断面列能量方 程计算之。,2022/12/10,151,4、消力池长度计算：,（1）有垂直跌坎的：,（2）溢流堰：,