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1、第六章明渠流动、学习引导1、明渠流的特点1）、明渠流：具有自由液面的流动，也称无压流。如：天然河道、人工 渠道，未充满或刚充满的无压圆管流。明渠流特点：表面各点均受大气压强作用，相对压强p为零。 依靠重力产生运动，也称重力流，节省能量，工程中广泛 使用。 表面不受约束，易受降雨，各种建筑物修建的影响。明渠的均匀流：作均匀流动的明渠流。明渠各过流断面A的形状，大小沿程不变，平均流速v与点流速分布u沿程不变的明渠流动。2）、明渠流的分类： 按时间分：明渠恒定流：作恒定流动的明渠流明渠非恒定流：作非恒定流动的明渠流。 按流线分：明渠均匀流：作均匀流动明渠非均匀流：作非均匀流动 按渠道断面形状、尺寸是
2、否沿程变化分：棱柱体渠道：渠道断面形状、尺寸沿程不变的长直渠道，即A=f（h）非棱柱体渠道：渠道断面形状、尺寸沿程变化的渠道，即A=f（s,h） 按渠道断面形状分：规则断面渠道：断面上各水力要素（A,x,R,c）均为水深的连续函数。断面 形式有：tJ X/ P不规则断面渠道：断面上各水力要素（A,x,R,c）不为水深的连续函数按渠道底坡分:顺坡渠道：i0渠底高程沿程降低平坡渠道：i =0渠底咼程沿程不变逆坡渠道：i0渠道； 距渠道进口一定距离以后。总结：明渠均匀流只能发生在：恒定的，n、i沿程不变的长直顺坡棱柱体 渠道，起始段以后的区域。3、明渠均匀流的计算公式1）谢才公式：2) 曼宁公式：曼
3、宁公式：-.八此公式为经验公式，左右量纲不一致，但大量实验测定，其计算结果比较 符合实际工程，因而得到广泛应用。3) 巴浦洛夫公式：巴浦络夫公式是苏联科学家，1925年提出了谢才系数 C的计算公式:C - *wy = 2.5 - 0.13 - 0.75( - 0.01)适用范围：O.lmw RW 3mO.O11vn0.04R1m,y=1.3，J4) 渠道的过流能力QQ=A =AC I1 =AC 宀 令 K=AC 二：，贝U: Q=- K 流量模数，指单位底坡i=1时，渠道的通过流量。水平边孟m = ctga =穴,梯形断面有：边坡系数：水面宽度：B=b+2mh1过流断面 A:A=. (b+B)
4、h=(b+mh)h湿周 X:X=b+2I ：， =b+2h -应卫(b水力半径R：;明渠均匀流中，当A形状、尺寸，n定时A=f1(h0), R=f2(ho), C=f3(h)， 故 K=f(h0), Q= f(h0)正常水深h0：相应于明渠均匀流时的水深h0称正常水深。粗糙系数n：综合反映渠道壁面对水流阻力作用大小的系数，其影响因素有:渠道表面的材料、水位高低、管理的好坏。n值极大地影响着工程的造价4、水力最优断面渠道的过流能力:渠道过流能力的影响因素： -1）水力最优断面：当渠道的i,n,A 定，渠道过流力Q最大的断面形式。或i,n,A,Q 一定，I最小2）梯形断面的水力最优条件:梯形断面水
5、力最优条件:“飞宽深比，0 = 附 为边坡系数的函数。3）矩形断面水力最优条件：矩形断面： m=ctg90 =0为梯形断面的特殊形式.：亠心.=20二色二 2 即:b=2h宽为水深的两倍实际渠道断面形式除按水力最优条件考虑外，不需考虑施工技术要求，运转要求，以及养护，造价综合考虑比较，加以选择。5.允许流速为保证工程的安全，渠道的正常运转，流速必须在一定范围内。1）最大允许流速Vmax：保证渠道不受冲刷破坏的限制流速，也称不冲流速 主要由渠道衬砌材料、流量、土壤性质确定。2）最小允许流速Vmin :保证渠道不被悬浮物淤积的限制流速，也称不淤流 速。主要决定于泥沙的性质。实际流速 V: Vmax
6、VVmin6.明渠均匀流水力计算的几类问题1）输水能力的计算已知：n,i,m,b,h，求：Q。解：2）渠道底坡的设计已知：n,m,b,h,Q，求：i解:3）设计断面尺寸：已知：Q,i,m,n，求：b,h解：因明渠均匀流只有谢才公式一个方程，要求解两处未知数，必须增加 条件，如：施工条件要求；允许流速要求；航运条件要求；水力最优 断面条件。从而变两个未知数为一个未知数，或已知 b求h，或已知h求bo 已知h求b：AXRC五料试算求出b值已知b求h：方法同上绘图hf（h）曲线7; 1# 二一 水力最优条件：已知b=B h可由法2求出。 已知最大允许流速Vmax确定b、h列方程组：4）粗糙系数n的确
7、定已知：Q,b,ho,m, I，求 n解：7 无压圆管均匀流水力计算1）无压圆管的水力要素:充满度：水深与管径之比，即 二充满角：液面端点半径所夹的角9 （钝角）C0S（7T-）=22几何关系:三角函数关系的换算:过流断面面积:-+（与cos（7T- ）=（S-sin ff）42228湿周：水力半径: 水面宽度:流速：畫-02 （扇形的周长）A7TI 2 j=dsiH 2流量：Q = A V2）无压圆管流的水力特征: 最大流速下的充满度:dV_7e5 = 25730fh = 0.81d 最大流量下的充满度：d98 二 308= 0.95h = 0.95d3）无压圆面积管流的图解计算：水流正好充
8、满整个管道断面，但顶部仍只受大气压强作用，此种管流 称满流。为与设计充满度的水力要素相区别，用脚标“ d”表示。引入流量比例系数：O_AC_fQ_=fi（二）Q厂也菽一畑一速比例系数: 绘制耳6庙了 此二K图 &卡图图中表明:- = r =1.087c=0.95 a即 Qmax=1.087Qd3=0.81即 Vmax=1.16Vd即充满度二.二时，最大流量Q已超过满流时Q的8.7%；充满度 c-0.81 时，最大流速V已超过满流时V的8.7%;8.明渠恒定非均匀流1)明渠非均匀流的特征与流动现象:明渠非均匀流的特征:v, h沿程变化流动现象：雍水曲线、降水曲线、水跃、跌水2)断面单位能量 比能
9、：单位重量流体相对于断面最低点具有的机械能Zo渠底相对0-0基准面的方程, 比能沿程变化:跟二方+纹二人+垒;=/(閒在棱柱体渠道中，A形状、尺寸Q 一定，e只是h的函数。均匀流：h，；沿程不变，e=const = 0 、; e沿程不变。非均匀流；h,；沿程变化，e=f(h)迴0也0、红0:F或:F或即：非均匀流中，比能e沿程可能增加，或减小或不变。 比能曲线:h T 0,川 T0, 立 T 00老 T do2出;趋于水平轴刀 TOO，月 Too空亍T必 TK32岀;趋于45。线9临界水深断面A形状、大小一定，Q 一定下，相应于最小比能时的水深称临界水 深。临界水深hk将比能曲线分为上、下两支
10、。de上支：hhk； _；：. 0； e沿程增加，e-h-x；断面能量主要体现为势能(h) 血WT空下支：hvhk；.ik，hohK，相应的渠道称陡坡渠道。缓坡：ihK，相应的渠道称缓坡渠道。界坡：i=ik，ho=hK，相应的渠道称临界坡渠道。11.急流、缓流、临界流在天然河流中，通常按流速的大小将流动分成：急流、缓流、临界流。 急流：流速大于临界流速的流动， VVk缓流：流速小于临界流速的流动， V 丁，波不向上游传播，为急流v，波向上游传播，为缓流。V=：=Vk=C，波向上游传播速度为0,为临界流，Vk=C=h；Fr= Fr佛汝德数判别:gh急流:缓流:VD，Fr1，；.0,比能曲线下支，hvhkde缓流：Fr0,比能曲线上支，hhkds临界流：FK，回=0， h = hk,e=Qmin临界坡ik判别法：当渠道中流动为均匀流动时，若：iik，陡坡，hkho，该均匀流为缓流； i=ik，界坡，hk=ho,该均匀流为临界流;、难点分析1. 水力最优断面2. 无压圆管均匀流水力计算1）无压圆管的水力要素：h 、用a = sin 一三角函数关系的换算：过流断面面积：A = 2-+ (与)=(5-sin ff)42228湿周：x = -d2 (扇形的周长）Ad件sin叭R =水力半径：X418)(- &B = ds
