流体力学_龙天渝_明渠流动VIP专享VIP免费

第六章明渠流动一、学习引导1、明渠流的特点1）、明渠流：具有自由液面的流动，也称无压流。如：天然河道、人工渠道，未充满或刚充满的无压圆管流。明渠流特点：①表面各点均受大气压强作用，相对压强p为零。②依靠重力产生运动，也称重力流，节省能量，工程中广泛使用。③表面不受约束，易受降雨，各种建筑物修建的影响。明渠的均匀流：作均匀流动的明渠流。明渠各过流断面A的形状，大小沿程不变，平均流速v与点流速分布u沿程不变的明渠流动。2）、明渠流的分类：①按时间分：明渠恒定流：作恒定流动的明渠流明渠非恒定流：作非恒定流动的明渠流。②按流线分：明渠均匀流：作均匀流动明渠非均匀流：作非均匀流动③按渠道断面形状、尺寸是否沿程变化分：棱柱体渠道：渠道断面形状、尺寸沿程不变的长直渠道，即A=f(h)非棱柱体渠道：渠道断面形状、尺寸沿程变化的渠道，即A=f(s,h)④按渠道断面形状分：规则断面渠道：断面上各水力要素（A,x,R,c）均为水深的连续函数。断面形式有：不规则断面渠道：断面上各水力要素（A,x,R,c）不为水深的连续函数。⑤按渠道底坡分：顺坡渠道：i>0渠底高程沿程降低平坡渠道：i=0渠底高程沿程不变逆坡渠道：i<0渠底高程沿程升高。底坡：渠道纵剖面图上，渠底线与水平线交角θ的正弦。2．明渠均匀流的特性及产生条件1）明渠均匀流的特性明渠均匀流是指断面形状、大小、平均流速、流速分布沿程不变的流动。明渠均匀流的特性为：i=J=Jz即：明渠均匀流中，底坡，水力坡度，水面坡度相等。2）发生的条件：①恒定的流动，Q不变；②长直的棱柱体渠道；③渠道粗糙系数n沿程不变；④顺坡i>0渠道；⑤距渠道进口一定距离以后。总结：明渠均匀流只能发生在：恒定的，n、i沿程不变的长直顺坡棱柱体渠道，起始段以后的区域。3、明渠均匀流的计算公式1）谢才公式：2）曼宁公式：曼宁公式：此公式为经验公式，左右量纲不一致，但大量实验测定，其计算结果比较符合实际工程，因而得到广泛应用。3）巴浦洛夫公式：巴浦络夫公式是苏联科学家，1925年提出了谢才系数C的计算公式：适用范围：0.1m≤R≤3m，0.0111m,y=1.34）渠道的过流能力QQ=A=AC=AC令K=AC，则：Q=K——流量模数，指单位底坡i=1时，渠道的通过流量。梯形断面有：边坡系数：水面宽度：B=b+2mh过流断面A：A=(b+B)h=(b+mh)h湿周X：X=b+2=b+2h水力半径R：明渠均匀流中，当A形状、尺寸，n一定时A=f1(h0),R=f2(ho),C=f3(h0)，故K=f(h0),Q=f(h0)正常水深h0：相应于明渠均匀流时的水深h0称正常水深。粗糙系数n：综合反映渠道壁面对水流阻力作用大小的系数，其影响因素有：渠道表面的材料、水位高低、管理的好坏。n值极大地影响着工程的造价。4、水力最优断面渠道的过流能力：渠道过流能力的影响因素：1）水力最优断面：当渠道的i,n,A一定，渠道过流力Q最大的断面形式。或i,n,A,Q一定，最小2）梯形断面的水力最优条件：梯形断面水力最优条件：——宽深比，为边坡系数的函数。3）矩形断面水力最优条件：矩形断面：m=ctg90°=0为梯形断面的特殊形式=2即：b=2h宽为水深的两倍实际渠道断面形式除按水力最优条件考虑外，不需考虑施工技术要求，运转要求，以及养护，造价综合考虑比较，加以选择。5．允许流速为保证工程的安全，渠道的正常运转，流速必须在一定范围内。1）最大允许流速Vmax：保证渠道不受冲刷破坏的限制流速，也称不冲流速。主要由渠道衬砌材料、流量、土壤性质确定。2）最小允许流速Vmin：保证渠道不被悬浮物淤积的限制流速，也称不淤流速。主要决定于泥沙的性质。实际流速V：Vmax>V>Vmin6.明渠均匀流水力计算的几类问题1）输水能力的计算已知：n,i,m,b,h，求：Q。解：2）渠道底坡的设计已知：n,m,b,h,Q，求：i。解：3）设计断面尺寸：已知：Q,i,m,n，求：b,h解：因明渠均匀流只有谢才公式一个方程，要求解两处未知数，必须增加条件，如：①施工条件要求；②允许流速要求；③航运条件要求；④水力最优断面条件。从而变两个未知数为一个未知数，或已知b求h，或已知h求b。①已知h求b：从图中找出应的点，对应的b即为所求值，或直接由试算求出b值。②已知b求h：方法同上绘图h~f(h)曲线③水力...