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1、明渠恒定流（均匀流和m购匀流）水力学教案第六章明槽恒定流动【教学基本要求】1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明 槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式， 并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条 件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率。值。4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力 和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。5、掌握明渠水流三种流态（急流、缓流、临界流）的运动特征和 判别明渠水流流态的方法，理解佛汝德数Fr的物理意
2、义。6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性，掌握矩形 断面明渠临界水深h k的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方 法。7、了解水跃和水跌现象，掌握共轭水深的计算，特别是矩形断明 渠面共轭水深计算。8、能进行水跃能量损失和水跃长度的计算。9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律，能正确进 行水面线定性分析，了解水面线衔接的控制条件。10、能进行水面线定量计算。11、了解缓流弯道水流的运动特征。【内容提要和教学重点】这一章是工程水力学部分内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。本章有4个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判 别；明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这
3、部分也是本章的 难点；水跃的特性和共轭水深计算。学习中应围绕这4个重点，掌握相关的基本概念和计算公式。明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由表面，自由表 面能随上下游的水流条件和渠道断面周界形状的变化而上下变动，相 应的水流运动要素也发生变化，形成了不同的水面形态。6.1明槽和明槽水流的几何特征和分类（1）明槽水流的分类明槽恒定均匀流明槽恒定非均匀流（包括渐变流和急变流）明槽非恒定流明槽非恒定流一定是非均匀流。明槽非均匀流根据其流线不平行和弯曲的程度，又可以分为渐变 流和急变流。（2）明槽梯形断面水力要素的计算公式：水面宽度B = b +2 mh（ 61）过水断面面积A =（ b + m
4、h） h（62）湿周（63）水力半径（64）式中：b为梯形断面底宽，m为梯形断面边 坡系数，h为梯形断面水深。它形状断面的几何要素可按各自的相应公式计算。（3）棱柱体明渠和非棱柱体明渠按照明渠横断面形状尺寸是否沿流程变化可将明渠分为棱柱体明 渠和非棱柱体明渠两类。棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。在棱柱体 明渠中，过水断面面积只随水深变化，即）（h A A=。轴线顺直断面规 则的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。在非棱 柱体明渠中，过水断面面积除随水深变化外，还随流程变化，即）,（s h A A 二。常见的非棱柱体明渠是渐变段（如2
5、12m h b x + + =212）（mh b h mh b x A R + + + = =扭面），另外，断面不规则，主流弯曲多变的天然河道也是非棱 柱体明渠的例子。当渠道的断面形状和尺寸沿流程不变的长直渠道我们称为棱柱体渠道。(4) 纵断面和底坡沿渠道中心线所做的铅垂平面与渠底的交线称为底坡线(渠底线、河底线)，即明渠的纵断面。该铅垂面与水面的交线称为水面线。为了表示底坡线沿水流方向降低的缓急程度，引入了底坡的概念。 底坡是指沿水流方向单位长度内的渠底高程降落值，以符号i表示。底 坡也称纵坡，可用下式计算。sz z i 21sin - = =0式中，1z、2z为渠道进口和出口的槽底高程；
6、s为渠道进口和出口间的流程长度；。为底坡线与水平线之间的夹角。 通常由于0角很小，故常以两断面间的水平距离来代替流程长度，即 00tg =sin。根据底坡的正负，可将明渠分为如下三类：0i称为正坡或顺坡; 0=i称为平坡；0(4 )掌握明渠底坡的定义，明渠有三种底坡：正坡(0 )平坡 (i =0)和逆坡(i m 时，1(3 )允许流速允许流速是为了保证渠道安全稳定地运行，在流速上的限制。允 许流速包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在 实际明渠均匀流计算中，必须结合工程要求进行校核。6.4明槽均匀流水力计算明槽均匀流水力计算包招类问题：（1）即确定已建渠道的过流能趋，可以应用明
7、槽均匀流公式直 接计算。（2）确定渠道的糙朝，（3）进行渠道断面尺寸的设计（包括正常水深0、渠道底宽b 和底坡i的计算）。我们重点掌握梯形断面明渠的设计计算。正常水 深h 0、渠道底宽b的计算可以采用试算法、查图法、电算解法等，这 方面的计算方法和步骤请仔细阅读教材中的例题。6.5明渠水流流态及判别（1）明渠水流的三种流态明渠水流的三种流态缓流、急流和临界流是根据水流速度与液面 干扰波的传播速度的对比关系来定义的，它仅存在于明渠水流。当水 流的速度V小于干扰波的传播速度7 W，即干扰波能够向上游传播， 这时水流为缓流；当水流的速度大于干扰波的传播速度/ W，即干 扰波不能够向上游传播，这时水流
8、为急流；当水流的速度等于干扰 波的传播速度V W，这时干扰波也不能够向上游传播，其水流为临界 流。前面曾讨论了液体的层流和紊流运动，它们在明渠水流和管流中 都存在；而缓流、急流和临界流只能出现在明渠水流中。我们要注意 这是两种不同类型流态，需要搞清这两种不同类型流态的定义和区别。 另外我们还要注意急流、缓流与急变流、渐变流的区别，它们是不同 的两个概念，不要混淆。（2）明渠水流流态判别数一一弗汝德数r。弗汝德数Fr = h g v（6-11）当Fr1则为缓流。弗汝德数Fr是水力学中重要的无量纲数之一，它表示过水断面上 单位重量液体具有的平均动能与平均势能的比值，它也表示水流惯性力与重力的比值。
9、 Fr 1表 示水流的平均动能较大，惯性力占主导，水流为急流。6.6断面比能E s断面比能E s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(612)当断面的形状、尺寸和 流量一定的时候，E s只是水深h的函数。取a=1,可导出=1 Fr 2 (613)从(613)式可知，当0,必定Fr 1,水流是缓流。当1,水流是急流。当=0,Fr = 1,是临界流，这时E s取极小值，对应的水深是临 界水深h k。需要注意：断面比育苗E与过水断面上单位重量的液体具有的总机 械能E之间存在一个差值，这个差值正好就是两个基准面之间的高差 0z。0z值的大小只与基准面的选择有关
10、，与水流状态无关，但水深 及流速水头gv 22a却是水流运动状态的直接反映。因此，可以认为断面比能是断面单位重量的液体具有的总机械能中反映水流运动状态的那一部分。在非均匀流中，由于客观条件的改变，一定的流量有可能以不同的水深通过某一过水断面，因而就有不同的过水断面面积和相应的断面平均流速，从而可以得出不同的断面 比能s E。这就说明在断面形状尺寸及流量一定的条件下， 321gAB Q dh s dE -=22222gA Q h g h s E aav+ = +=dh s dEdh s dEdhsdE断面比能s E只是水深h的函数。如果以纵坐标表示水深，以 横坐标表示断面比育苗E则一定流量下所讨论断面的断面比能随水 深h的变化规律可以麻s E曲线来表示，这个曲线称为比能曲线。比能曲线是一条二次抛物线，曲线下端以轴为渐进线，上端以 45直线
