水力学辅导材料6

'水力学辅导材料6：一、第6章明槽恒定流动（1）【教学基本要求】1、了解明杷水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断血明渠的儿何特征和水力要素。2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明松均匀流公式，并能应用它來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n值。4、掌握明杷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hk的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。【内容提要和学习指导】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。本章冇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，这部分也是木章的难点：水跃的特性和共辘水深计算。学习屮应围绕这4个垂点，掌握相关的棊木概念和计算公式。这一讲我们讨论前2个问题，后血2个问题将放在笫7讲讨论。明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自山表面，自由表血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）明槽水流的分类厂明杷i恒定均匀流］明槽恒定非均匀流.明槽非恒定非均匀流明槽非恒定均匀流在自然界是不可能出现的。明杷i非均匀流根据莫流线不平行和弯曲的程度，乂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： ✓*水而宽度B=b+2mh(6--1)过水断而面积A=(b+mh)h(6--2)湿周x=b+2/?V1+加2A(b+mh)h(6--3)水力半径R=-.(6--4)b十2hN1+m式中：b为梯形断血底宽，加为梯形断血边坡系数，力为梯形断血水深。（3）当渠道的断血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）掌握明渠底坡的定义，明渠冇三种底坡：止坡（/>0）平坡（/=0）和逆坡（/<0o6.2明槽均匀流特性和计算公式（1）明槽均匀流的特征：a）均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变，特别是水深h沿程不变，这个水深也称为正常水深。b）过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。C）总水头线坡度、水而坡度、渠底坡度三者相等，J=JS=IO即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。从力学意义上来说：均匀流在水流方向上的重力分量必须与渠道边界的摩擦阻力相等才能形成均匀流。因此只有在正坡渠道上才可能形成均匀流。（2）明渠均匀流公式明渠均匀流计算公式是由连续性方程和舍齐公式纽.成的，即(6—5)Q=Av也可表示为:v=Cy^RiQ=AC=Ky/7(6—6)(6——7)曼宁公式为式屮K是流址模数,C=-7?,/6n它表示当底坡为/=1的时候，渠道屮通过均匀流的流量。(6—8)(6—9)K=ACy/~R=-AR2/3=Q/y[in6.3明槽均匀流水力计算中的几个问题（1）粗糙率〃糙率n是反映渠道边界和水流对阻力影响的综介参数，影响〃值的因索很多，确定川值主要依靠经验的积累和实验。实际工程计算中，正确选择H值对进行可靠的设计计算十分重要，它将影响计算的精确度。对于重要的工程，除参考前人总结的资料外，最好能采用实测资料。当渠道边界各部分的糙率不同时，应采用综合糙率來进行计算。（2）水力最佳断面当过水断面面积一定，渠道能够通过最人流量的断面形状；或者说通过的流量一定，所需过水面积最小的断面称为水力最佳断面。梯形断ifii明渠满足水力最佳断面的条件是，渠道的宽深比九为 %*匚二、（6—10）Pm=2（71+m一m）对于矩形断面777=0,则0^=1即矩形水力戢佳断面的底宽b等于水深h的2倍。在实际工程中，对于流量较大的渠道，通常按水力最住断而进行设计得到的是窄深式渠道，虽然其水力学条件是最好的，但不易丿適工，不经济。实际工程中采用的是实用经济断面,即适当地增人过水断而的而积，使渠道变为宽浅，施工容易，建设费用最少。实用经济断而明渠的具体设计方法可参考有关资料。（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。水力最佳断而和允许流速的校核见教材例6—1。6.4明槽均匀流水力计算明槽均匀流水力计算包括3类问题：（1）即确定已建渠道的过流能力0,可以应用明槽均匀流公式直接计算。（2）确定渠道的糙率小（3）进行渠道断面尺寸的设计（包括正常水深如、渠道底宽力和底坡i的计算）。我们重点学握梯形断面明渠的设计计算。正常水深加、渠道底宽b的计算可以采用试算法或查图衣的方法，这方而的计算方法和步骤请仔细阅读教材上的例6-2至例6-706.5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•液面十扰波的传播速度的对比关系來定义的，它仅存在于明渠水流。当水流的速度”小于干扰波的传播速度％‘，即外界的干扰能够向上游传播，这时水流为缓流；当水流的速度"人于干扰波的传播速度心，即外界的干扰不能够向上游传播，这时水流为急流。在笫4章，我们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屮。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）判别明渠水流流态的依据是弗汝德数Fr。V弗汝徳数Fr=「=（6—11）莎当Fr<1,水流是缓流，当Fr=l是临界流，当Fr>l则为缓流。死汝德数Fr是水力学中重耍的无量纲数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。FrVl 表示水流平均动能较小，重力占主导，水流为缓流；F「>1表示水流的平均动能较大，惯性力占主导，水流为急流。&6断面比能E断面比能是以通过明渠断面垠低点的水平面为基准的单位重量水体所具冇的总机械能，可表示为(6—12)2+誓#+囁当断面的形状、尺寸和流量一宪的时篠Fe只是水深〃的函数。取0=1,可导出(6—13)叭_1少3=1-Fr2dh屛HF从(6—13)式可知，当叫>0,必定Fr1,水流是急流。当dEs=0,Fr=l,是lit界流，这时尺取极小值，对应的水深是临界水深加。dh6.7临界水深临界水深加是讨论明渠水流运动和水面线的重要参数，其计算公式为(6—14)血2£临界水深加的计算方法为试算一图解法、选代计算和查图法。要求学员能记住矩形断面明渠临界水深的计算公式(6-15)o(6—15)利用梯形断面明渠临界水深hk可以判别明渠水流的流态：当明渠内水深h>hk,水流为缓流；当明渠内水深h