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明渠恒定均匀流

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第五章 明渠恒定均匀流 第一节 概 述 一.明渠水流 1、明渠定义:人工渠道、天然河道、未充满水流的管道统称为明渠。 2、明渠水流是指在明渠中流动,具有显露在大气中的自由表面,水面上各点的压强都等于大气压强。故明渠水流又称为无压流。 明渠水流的运动是在重力作用下形成的。在流动过程中,自由水面不受固体边界的约束(这一点与管流不同),因此,在明渠中如有干扰出现,例如底坡的改变、断面尺寸的改变、粗糙系数的变化等,都会引起自由水面的位置随之升降,即水面随时空变化,这就导致了运动要素发生变化,使得明渠水流呈现出比较多的变化。在一定流量下,由于上下游控制条件的不同,同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。正因为明渠水流的上边界不固定,故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。 明渠水流可以是恒定流或非恒定流,也可以是均匀流或非均匀流,非均匀流也有急变流和渐变流之分。本章首先学习恒定均匀流。明渠恒定均匀流是一种典型的水流,其有关的理论知识是分析和研究明渠水流各种现象的基础,也是渠道断面设计的重要依据。 对明渠水流而言,当然也有层流和紊流之分,但绝大多数水流(渗流除外)为紊流,并且接近或属于紊流阻力平方区。因此,本章及以后各章的讨论将只限于此种情况。 二、渠槽的断面形式 (一)按横断面的形状分类 渠道的横断面形状有很多种。 人工修建的明渠,为便于施工和管理,一般为规则断面,常见的有梯形断面、矩形断面、U 型断面等,具体的断面形式还与当地地形及筑渠材料有关。天然河道 一般为无规则,不对称,分为主槽与滩地。 在今后的分析计算中,常用的是渠道的过水断面的几何要素,主要包括:过水断面面积A 、湿周  、水力半径 R、水面宽度 B。对梯形断面而言,其过水断面几何要素计算公式如下: 2)()hmhmhbA( hmmhb)12(1222 AR  hmmhbB)2(2 式中,b 为底宽;m 为边坡系数;h 为水深;  为宽深比,定义为hb (二)按横断面形状尺寸沿流程是否变化分类 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)(hAA 。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),(shAA 。常见的非棱柱体明渠是渐变段...

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