第七章明渠均匀流.ppt
第七章 明渠恒定均匀流,水力学多媒体课件讲稿,一、概述,有压管流：具有封闭的湿周； 压力是流动 的主要动力。 明渠流： 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； 明渠水面线即测压管水头线。,（一）明渠的底坡,底坡：渠底高程沿水流方向单位距离的 降落值称为底坡，以i表示。,底坡线：沿渠道中心线所作的铅直面和 渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线）。,水面线：沿渠道中心线所作的铅直面与水面 的交线则称为水面线。,i 0 顺坡、正坡,i = 0 平坡,i 0 逆坡、负坡,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。,梯形断面,河道断面,矩形断面,反映断面的形状特征值称为断面水力要素。,底宽,水深,边坡系数,水面宽,过水断面面积,湿周,水力半径,（二）明渠的横断面,梯形断面明渠,是最常见的人工渠道。其基本几何参数为水深h、底宽b和边坡系数m。 边坡系数 ，由土壤的力学性质决定。 过水断面面积 水面宽 湿周 水力半径 。当m=0，为矩形断面。,（三）棱柱体明渠和非棱柱体明渠,1、断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道， 称为棱柱体渠道。,2、断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。,A=A(h), 多为人工渠道。,A=A(h,s),二、明渠均匀流的特性和形成条件,匀速运动,充分长直的棱柱体正坡(i 0)明渠,产生均匀流的条件：,水流应为恒定流。流量应沿程不变，即无支流。,渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，糙率系数沿程不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。,1.过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。 2.过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。 3.总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即i=Jp=J,明渠均匀流的形成条件,恒定流Q =const;,棱柱体渠道;,正坡i0;,棱柱体明渠足够长；,糙率n沿程不变；,没有建筑物的干扰。,三、明渠均匀流水力计算,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(Chezy)公式,曼宁(Manning)公式,明渠均匀流的水力计算有3种类型：,1）验算已设计好渠道的输水能力：,2）确定渠道的底坡：已知流量和渠道的断面形状、尺寸。,以上两种方法均可直接用公式。,3)设计渠道断面尺寸,这一类型分3种情况，都必须试算（以梯型断面为例：流量、糙率、底坡、边坡系数均已知） 。 (1)已知h0 ，求b,设b计算Q，点绘曲线，内插求b 。,（2）已知b，求h0 试算方法同（1） 设h0计算Q。点绘曲线，内插求h0,(3) 已知 求 b 和 h0 方法同前，设b（或h0），由计算h0（或b），点绘曲线，内插h0（或b）。,上述问题也可以通过图解法来求得。具体见附录A,例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s ，边坡系数m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系数n=0.0225 ，底宽b=1m 。 求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。,解：根据谢才曼宁公式，并代入梯形断面水力要素，有,设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的Q值如下表,h(m) 0.5 0.75 1.0 Q(m3/s) 1.07 2.29 4.03,从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h0=0.86m。,四、其他问题,（一）水力最佳断面（水力最优断面）,所以除 外，Q的大小取决于断面的形状和尺寸。,底坡i根据地形条件或技术上的考虑选定。,糙率n取决于渠壁材料或土质。,由谢才公式知：Q与 及断面形状和尺寸有关。,水力最佳断面,从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状在通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为水力最佳断面。,所以水力最佳断面是湿周最小的断面。,工程中多采用梯形断面，在边坡系数m已定的情况下，同样的过水面积A，湿周的大小因底宽与水深的比值b/h而异。,何种过水断面湿周最小?,证明梯形水力最佳断面的宽深比,根据水力最佳断面的条件,即,而,将A、分别对h求一阶导，并使之为零,上二式中消去db/dh后，解得,水力最优梯形断面,最优宽深比,最优湿周,最优水力半径,最优断面面积,梯形断面的边坡系数 m,梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌， 边坡的稳定性及边坡系数m选择由土壤力学性质决定。,水力最优断面存在的问题,当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比b/h是唯一的。 水力最优断面往往为“窄深形”，达不到经济的目的。,（二）渠道的允许流速, 技术经济要求：根据渠道所担负的任务。, 不冲不淤流速要求：vvv,不冲流速v :由土壤的种类、粒径、密实度等决定；,不淤流速v ：由水流挟沙量决定。, 最小流速要求：,南方清水渠道：v0.5m/s,北方结冰渠道：v0.6m/s,（三）复式断面渠道的水力计算,由于断面各部分流速差异很大，常采用分算法：,渠道横断面上边坡、深度或底宽有突然变化者，就称为复式断面。,（四）湿周上糙率不同的渠道水力计算, nmax/nmin2.0，,介绍几个综合糙率公式。,假定：总阻力=各部分阻力之和。,1）巴普洛夫斯基公式:(nmax/nmin2.0),2）别洛康·爱因斯坦公式：, nmax/nmin2.0，,小结：,明渠的几何特性,明渠均匀流的特性,明渠均匀流的计算公式,明渠均匀流的水力计算,水力最佳断面及允许流速,复式断面明渠的水力计算,
