水力学 教学课件 作者 裴国霞 唐朝春7，8，9章第八章 明渠恒定均匀流.ppt

'第8章明渠恒定均匀流8.1明渠特征及均匀流的形成8.2明渠均匀流的计算公式8.3明渠水力最优断面和允许流速8.4明渠均匀流水力计算的基本问题8.5无压圆管均匀流的水力计算8.6复式断面渠道的水力计算 定义：水流与大气接触，具有自由液面的流动，称为明渠流动。 明渠水流时间上分布空间上分布恒定流非恒定流均匀流非均匀流急变流渐变流 8.1明渠特征及均匀流的形成8.1.1明渠的几何特性非棱柱形渠道：断面形状及尺寸沿程变化的渠道。()shfA,=断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道。棱柱形渠道：()hfA=⑴qsin=D=Lziqqqtg»sin小很，一般情况下，底坡为渠底的高差与相应渠长的比值⑵ 顺坡：渠底沿程降低。平坡：渠底沿程水平。逆坡：渠底沿程升高。8.1.2明渠均匀流的水力特征和形成条件特征（1）明渠均匀流的断面流速分布、流量、水深和过水断面的形状大小沿程不变。（2）明渠均匀流的总水头线坡度、测压管水头线坡度和渠底坡度彼此相等。 水力坡度测压管水头线坡度渠底坡度形成条件明渠水流恒定，流量沿程不变；渠道为长直的棱柱形顺坡渠道；底坡、糙率沿程不变；(4)渠道沿程没有建筑物或障碍物的局部干扰。 8.2明渠均匀流的计算公式明渠流动一般属于紊流阻力平方区满足谢才公式明渠均匀流代入流量公式流量模数谢才系数一般利用计算 谢才系数还可以利用巴甫洛夫斯基公式来计算其中或谢才系数是反映断面形状、尺寸和粗糙程度的一个综合系数，它与水力半径值和粗糙系数值有关，而且的影响远大于值。因此，正确选择粗糙系数值是明渠均匀流计算中的一个关键问题 8.3明渠水力最优断面和允许流速水力最优断面：渠道底坡粗糙系数和过水断面面积一定，使渠道的输水能力最大的断面形状。在、、一定时，要使渠道输水能力最大，则要求水力半径最大，即湿周为最小.因此此时，输水能力最大，渠道护壁材料最省，渠道渗水损失量也最少.在各种几何形状中，同样的面积，圆形和半圆形断面的湿周最小，是水力最优断面，但因半圆形断面施工困难，工程上多采用梯形断面.8.3.1水力最优断面 已知：底宽、水面宽，水深的梯形断面，边坡系数试求：水力最优断面联立，得求导求导有的极小值存在代入 因此，水力最优断面的宽深比仅是边坡系数的函数当时，，即为矩形断面，其宽深比此时处于水力最优断面。梯形断面水力最优断面的水力半径以上只是从水力学角度去考虑的，水力最优断面的形状较窄而深，显然挖土过深，土方的单价增高，同时也增加了施工、养护上的难度。所以在实际应用上有很大的局限性，因此“水力最优”并不等于“技术经济最优”。渠道的设计不应仅考虑输水，还要考虑航运对水深和水面宽度的要求。梯形断面 8.3.2允许流速允许流速：即对渠身不会产生冲刷、也不会使水中悬浮的泥沙在渠道中发生淤积的断面平均流速。因此在设计中，要求渠道的流速在不冲、不淤的允许流速范围内，即不冲允许流速不淤允许流速渠道中的最小允许不淤流速的大小与水中的悬浮物有关，渠道的不冲允许流速的大小取决于土质情况、护面材料以及通过的流量等因素，具体数值查看有关规范 8.4明渠均匀流水力计算的基本问题一、验算渠道的输水能力已知：渠道断面形状及大小、渠壁的粗糙系数、渠道的底坡。求渠道的输水能力。二、确定渠道底坡利用，代入求解。己知：渠道断面尺寸、粗糙系数、通过流量或流速。设计渠道的底坡。求出 三、确定渠道断面尺寸己知：渠道输水量、渠道底坡、糙系数及边坡系数.求渠道断面尺寸和.⒈水深己定，求相应的底宽1）给出几个不同的值，计算出相应的值，根据若干对K和b值，绘出曲线。2）由给定的和，计算出3）从图中找出对应于这个值的值，即为所求的底宽。 ⒉底宽己知，求相应的水深1）给出几个不同的值，算出相应的值，根据若干对和值，绘出曲线。2）由给定的和，计算出3）从图中找出对应于这个值的值，即为所求的水深。⒊按水力最优断面条件，求相应的和按当地土质条件确定边坡系数值，在水力最优时，计算出，即可求得和 一梯形断面土渠，通过流量，底坡，边坡系数，粗糙系数，试按水力最优条件设计断面尺寸。解：由，查上表得宽深比代入而例题 又解得， ⒋按最大允许不冲流速值，求相应的和例题已知：梯形断面引水渠道，输水量为，平均坡度为0.0006，取，，最大允许不冲流速，设计该渠道的断面尺寸。解：按最大允许不冲流速，进行设计用曼宁公式，则，得 解联立上述两方程，得， 8.5无压圆管均匀流的水力计算无压管道是指不满流的长管道，如下水管道。8.5.1无压圆管的水力要素无压圆管均匀流的过水断面如图8-10所示。定义无量纲数称为充满度所对应的圆心角称为充满角由几何关系可得各水力要素之间的关系为 过水断面湿周水力半径流速流量无压圆管均匀流中流量和断面平均流速随水深的变化规律，也可用图形清楚地表示出来， 为使该图形在应用上更具有普遍意义，能适用于不同管径、不同粗糙系数的情况，特引入几个无量纲数来表示图形的坐标，如图8-11所示。从图8-11可以看出：满流时与不满时相应各值，则 从图8-11中看出：1）当时，呈最大值此时管中通过的流量最大，为恰好满管流时流量的1.087倍。2）当时，呈最大值，此时管中的流速最大，为恰好满管流时流速的1.160倍。上述分析表明，无压圆管的最大流量和最大流速，并不发生在满管流时，这是由于圆形断面上部充水时，当超过某一水深后，其湿周比水流过流断面面积增长得快，水力半径开始减小，从而导致流量和流速相应减少。 8.5.2无压圆管的计算问题无压圆管均匀流的基本公式仍是过水断面面积湿周水力半径流速流量充满度 无压圆管水力计算的基本问题可分为下述三类：1）检验过水能力。即己知管径、充满度、管壁粗糙系数及底坡，求流量2）己知通过流量及、、，设计管底坡度3）己知通过流量及、和，确定管径在进行无压圆管水力计算时，要注意有关行业规定，必须满足专业要求 8.6复式断面渠道的水力计算在人工渠道中，当通过渠道的流量变化范围比较大时，渠道的断面形状常采用由两个或两个以上单式断面组成的复式断面，如图所示 对于复式断面明渠，不能像对单式断面渠道那样采用综合糙率来计算水流阻力。在进行复式断面明渠均匀流的流量计算时，首先将复式断面划分成若干个单一断面，分别计算其流速、流量，然后进行叠加得到整个复式断面的总流量。如图所示的复式断面'