水力学课件-明渠恒定均匀流

'水力学第五章明渠恒定均匀流主讲：熊亚南前进 天然河道、人工渠道统称为明渠。明渠中流动的液体称为明渠水流。当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。明渠水流也可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、渐变流与急变流等。主要内容：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结束 明渠的几何特性1.明渠的底坡明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。以i表示。底坡线水面线底坡线θi>0顺坡、正坡i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦，即i=sinθ。i=0平坡i<0逆坡、负坡顺坡（或正坡）明渠按底坡分类：平坡明渠逆坡（或负坡）明渠前进 2.明渠的横断面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。主槽滩地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。bh1αmB底宽水深边坡系数水面宽过水断面面积湿周水力半径断面形状、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。断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。棱柱体棱柱体非棱柱体22331—12—23—311返回 明渠均匀流的特性Ff=Gs均速运动Ff0)明渠加速运动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4.水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即Gs=Ff。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，粗糙系数沿程不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。返回 明渠均匀流的计算公式返回 明渠均匀流的水力计算以梯形断面为例：已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数n，求通过的流量Q。已知渠道的断面尺寸b、m、h及设计流量Q、粗糙系数n，求底坡i。已知渠道的断面尺寸b、m、h及通过的流量Q、底坡i，求粗糙系数n。已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m和粗糙系数n，求正常水深h0。已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m和粗糙系数n，求底宽b。返回 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—满宁公式，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)0.50.751.0Q(m3/s)1.072.294.03h(m)Q(m3/s)1.02.03.00.00.00.50.750.251.0从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=0.86m。返回 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。bh1αmB可以证明：梯形水力最佳断面的宽深之比为此时，前进 允许流速返回设计渠道时，断面的平均流速应结合渠道所担负的生产任务（灌溉渠道、水电站引水渠道、航运渠道等）、渠道建筑材料的类型、水流中含沙量的多少及其他运用管理上的要求而选定。1.渠道中的流速应小于不冲允许流速V′，以保证渠道免遭冲刷。2.渠道中的流速应大于不淤流速V″，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠槽中。3.对航运渠道及水电站引水渠道，渠中流速还应满足某些技术经济条件及应用管理方面的要求。 复式断面明渠的水力计算返回h′hoQⅠⅡⅢ 证明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、χ分别对h求一阶导，并使之为零上二式中消去db/dh后，解得返回'