第9章明渠均匀流讲解课件.ppt
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1、第九章明渠均匀流,第一部分 流体力学,本章讲述明渠恒定均匀流的基本特性形成条件基本公式以及如何运用公式解决水力工程的均匀流计算等问题。明渠均匀流运动规律,是渠道设计的重要理论依据之一,广泛用于工程实践。同时它又是学习明渠非均匀流的基础,因此,应当熟练掌握基本概念基本公式和基本方法。明渠水流的自由水面会随着渠道条件和水流条件而变化。所以在水力计算上,明渠流问题比有压管流问题要复杂一些。,本章主要内容,本章的重点,明渠均匀流的特性和形成条件;明渠流水力计算应考虑的几个问题;明渠均匀流水力计算的类型和方法。,9.1 概述,9.2 明渠均匀流的特征及其形成条件,9.3 明渠均匀流的水力计算,9.4 无
2、压圆管均匀流,9 明渠均匀流,9.1 概述,9.1.1 明渠流动的特点,9.1.2 明渠的分类,9 明渠均匀流,明 渠,一种人工修建、或自然形成的具有自由表面的的渠槽,如人工渠道和天然河道。,明渠流,水流通过明渠时,形成与大气相接触的自由表面(液面上各点压强均为大气压强)。这种水流称为明渠水流,或无压流。,明渠水流在水利工程中或是在自然界都是常见的,例如:水电站引水渠、灌溉渠、排水渠、运河、无压隧洞和下水道等人工渠道中的水流以及天然河道中的水流均为明渠水流。,本章只讨论明渠恒定均匀流问题。,明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。,明渠恒定流,明渠流中的水力要素(
3、时均值)均不随时间变化,称明渠恒定流,否则称明渠非恒定流。,明渠均匀流,明渠流中,流线是一簇平行直线,水深、断面平均流速、流量、糙率等水力要素沿程不变。,设想在产生均匀流动的明渠中取出一单位长度的流段ABCD进行分析。设此流段水体重量为G,周界的摩阻力为Ff,流段两端的动水压力各为FP1、FP2。,因为均匀流中过水断面上的压强按静水压强分布,而且各过水断面的水深及过水断面积相同,故P1=P2。则由上式可得,上式标明:明渠均匀流中摩阻力Ff与水流重力在流动方向的分力相平衡。当 时,明渠中将产生非均匀流。,从力学观点看,明渠均匀流是一种等速直线运动。则作用于流段上所有外力在流动方向的分量必相互平衡
4、,即,非均匀流产生的原因,(1)渠道的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡i沿程有变化;,(2)渠道较短或者渠中有水工建筑物存在。,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。,同有压管流比较,明渠流动具有以下特点:具有自由水面(即水面压强为大气压),重力是流动的主要动力;明渠底坡 的改变对断面的流速和水深有直接影响;明渠局部边界的变化,会造成水深在很长的流程上发生变化;明渠水面线即测压管水头线。,有压管流:具有封闭的湿周;压力是流动的主要动力。,9.1.1 明渠流
5、动的特点,9.1.2 明渠的分类,明渠的断面形状、尺寸、底坡等对明渠水流运动有重要影响。一、按横断面形状分类 人工明渠的横断面,通常作成对称的几何形状。例如常见的矩形、梯形、圆形、马蹄形断面等。至于天然河道的横断面,则常呈不规则的形状。,垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线称为明渠的横断面。,二、按断面形状、尺寸是否沿流程变化分类 棱柱形渠道:渠道断面形状、尺寸沿程不变。特点:底宽b和边坡m沿程不变;过流断面面积仅与水深有关 非棱柱形渠道:断面形状、尺寸或底坡改变的渠道,棱柱体渠道,断面形状尺寸 底坡糙率渠道不弯曲如:人工开凿的大部分渠道,沿程不变,非棱柱体渠道,断面形状尺寸 底坡糙率渠
6、道弯曲如:天然河道 人工渠道连接段(扭面),沿程变化,三、按底坡大小分类,渠底与纵剖面的交线称为渠底线,为底线沿流程单位长度的降低值称为渠道底坡(或纵坡),常用符号i来表示,即渠底的高差与相应渠长的比值。,当底坡较小时:,明渠底坡三种类型:,正坡:i 0 渠底高程沿流程降低,也称为顺坡。,平坡:i=0 渠底高程沿程不变,负坡:i 0 渠底高程沿流程增加,也称为逆坡。,顺坡、正坡,平坡,逆坡、负坡,在平底渠道中i=0,流段重力在顺流方向分力 G sin=0;在逆坡渠道中,流段重力的分力Gsin与摩阻力Ff的方向一致,因而都不可能满足GsinFf 的平衡条件,故在平底及逆坡渠段中,不可能产生均匀流
7、动,只有在顺坡渠道中,才有可能产生均匀流。,9.2 明渠均匀流的特征及其形成条件,9.2.1 明渠均匀流的特征,9.2.2 明渠均匀流的形成条件,9 明渠均匀流,9.2.1 明渠均匀流的特征,均匀流是一种匀速直线运动,均匀流质点的运动参数沿程不变。明渠均匀流是一种最简单的明渠流。但其理论是渠道设计的依据,也是进行非均匀流分析计算的基础。,特征一:过流断面形状和尺寸、水深、流量、断面平均流速和流速分布等都沿程不变,其流线为一组与渠底线平行的直线。特征二:明渠均匀流的总水头线J、测压管水头线Jp和渠底线i三者互相平行。,明渠均匀流,在均匀流中取过流断面1-1、2-2列伯努利方程,明渠均匀流有,可得
8、,除以流程得,说明:在一定距离上水流单位势能的减少恰好等于克服沿程阻力的能量损失。,因为明渠均匀流是等深流,水面线(测压管水头线)与渠底线平行,坡度相等,有,9.2.2 明渠均匀流的形成条件,明渠中水流是恒定的,流量沿程不变;渠槽是长直的棱柱形顺坡渠道;渠道表面粗糙系数沿程不变;沿程没有建筑物的局部干扰。,力学条件:渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的 分力始终平衡(大小相等,方向相反)。能量条件:水面下降值始终等于水头损失。,v2,v1,P2,0,G,A,B,C,D,P1,Ff,由水流向动量方程得由均匀流条件:P1P2;v1 v2,则,实际渠中总有各种建筑物。因此,多数明渠流是非均匀流。严格说,
9、不存在明渠均匀流,均匀流是对明渠流动的一种概化。近似符合这些条件的人工渠、河道中一些流段可认为是均匀流。如:离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流;天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期。,9.3 明渠均匀流的水力计算,9.3.1 明渠均匀流的水力计算公式,9.3.2 明渠过流断面的几何要素,9 明渠均匀流,9.3.3 明渠水力最优断面和允许流速,9.3.4 明渠均匀流水力计算的基本问题,9.3.1 明渠均匀流的水力计算公式,明渠水流一般属于紊流粗糙区(阻力平方区),hf v2,其基本公式有三个:连续方程 谢才公式 曼宁公式,基于明渠水流资料获得的经验公式,1769年,谢才(
10、齐)(A.Chezy),总结了一系列渠道水流实测资料的基础上,提出明渠均匀流流速与流量的经验公式谢才公式,以后又有确定谢才系数的曼宁公式(R.Manning)、巴甫洛夫斯基公式。,K综合反映断面形状、尺寸、水深、糙率对过水能力的影响。物理意义:水力坡度为1时的流量(当i=1 时,Q=K)。单位:(m3/s),流量模数,R:水力半径,以m计;n:粗糙系数,谢齐系数C:反映断面形状、尺寸和边壁粗糙程度的一个综合系数。常用曼(满)宁公式计算。,明渠均匀流的流量公式:,粗糙系数n 的讨论,曼宁公式,=f(n,R),R 对C 的影响远比 n 对 C 的影响小得多,因此,根据实际情况正确地选定粗糙系数n,
11、对明渠的计算将有重要的意义。,粗糙系数 n 对明渠计算的影响:,n选择 n实际:对同一水力半径R,则C值偏大,为通过既定的设计流量,过水断面或渠槽的底坡就设计得较小,而渠道运行后实际的糙率n值比设计的大,从而导致渠道通水后实际流速不能达到设计要求,引起流量不足和泥沙淤积。,粗糙系数 n 对明渠计算的影响:,n选择 n实际:对同一水力半径R,则C值偏小,为通过给定的设计流量,要求在设计时加大过水断面,或加大渠槽的底坡。这样,一方面加大了开挖工作量,另一方面因底坡大,水面降落快;此外,还由于渠道运行后实际流速偏大,又会引起渠道冲刷。,某渠设计时选 n=0.015,竣工后实测0.016。设计水深时,
12、渠道过不了设计流量(比设计流量小)。通过一定流量时,实际水深比设计计算的水深大,可能造成水漫渠顶事故。,各种土质、衬砌材料渠道的糙率表,0.040.05,野草丛生的砂壤土或砾石渠面,0.0330.04,散布粗石块的土渠面,0.0250.030,砾石(直径2060mm)渠面,0.0170.020,夯实光滑的土面,土渠:,n,渠道衬砌材料,表 人工渠道的糙率,矩形断面,常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠道 混凝土渠 木渠,9.3.2 明渠过流断面的几何要素,B,h,b,1,m,梯形断面,水面宽度,B=b+2mh,过水面积,湿 周,水力半径,土质地基上的渠道,边坡系数,a,a=a/h,m,cot,
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