“水力学”第六章明渠恒定非均匀流.pptVIP

第六章 明渠恒定非均匀流 人工渠道或天然河道中 的水流绝大多数是非均匀 流。明渠非均匀流的特点 是明渠的底坡线、水面线、 总水头线彼此互不平行。 明渠非均匀流分为明渠非均匀渐变流和明渠非均匀急变流。本章着重研究明渠中恒定非均匀渐变流的基本特性及其水力要素（主要是水深）沿程变化的规律。具体地说，就是要分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等。通常把明渠均匀流的水深称为正常水深h0。; 6-1 明渠水流的三种流态;微弱扰动的一维传播; 6-1 明渠水流的三种流态; 6-1 明渠水流的三种流态;当v＜vw时，水流为缓流，干扰波能向上游和下游传播。 ;当v＞vw时，水流为急流，干扰波不能向上游传播，只能向下游传播（马赫椎内）。 ; 当v＝vw时，水流为临界流， ; 6-1 明渠水流的三种流态 明渠水流有和大气接触的自由表面，与有压流不同，具有独特的水流流态，即缓流、临界流和急流三种。 静水中传播的微波速度vw称为相对波速。; 微波波速的计算： 以一竖直平板在平底矩形棱柱体明渠中激起一个干扰微波。观察者随波前行。 对上述的运动坐标系水流作恒定非均匀流动。不计摩擦力对1-1和2-2断面建立连续性和能量方程。; 联解上两式，并令 得 令 ，则微波波速： 明渠断面为任意形状时， 式中： 为断面平均水深，A为断面面积， B为水面宽度。 ; 实际工程中微波传播的绝对速度 对临界流断面平均流速恰好等于微波相对波速 对临界流有 佛汝德数 ; 显然：当Fr＜1，水流为缓流； 当Fr＝1，水流为临界流； 当Fr＞1，水流为急流。 佛汝德数的②物理意义是： 过水断面单位重量液体平均动能与平均势能 之比的二倍开平方。 ; 佛汝德数的③物理意义，即佛汝德数的力学意义是： 代表水流的惯性力和重力两种作用的对比关系。 ;6-2 断面比能与临界水深; 如果我们把参考基准面选在渠底这一特殊位置，把对通过渠底的水平面0′-0′所计算得到的单位能量称为断面比能，并以 来表示，则 在实用上，因一般明渠底坡较小，可认为 故常采用; 当流量Q和过水断面的形状及尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数，即Es＝f(h)，以图表示则称为:比能曲线。 ;为什么?;因在过水断面上 ， 代入上式有 若取， 则有 因而对断面 比能曲线有; 二、临界水深 相应于断面单位能量最小值的水深称为临界水深，以hk表示。 由临界流方程 当流量和过水断面形状及尺寸给定时，利用上式 即可求解临界水深 。 ; 1.矩形断面明渠临界水深的计算 上式中 为单宽流量。 ;22; 2．断面为任意形状时，临界水深的计算 ; （1）试算法 当给定流量 Q 及明渠断面形状、尺寸后，(6.15)式的左端 为一定值，该式的右端 乃仅仅是水深的函数。于是可以假定若干个水深 h ，从而可算出若干个与之对应的 值，当某一 值刚好与 相等时，其相应的水深即为所求的临界水深hK 。; （ 2）图解法 图解法的实质和试算法相同。当假定不同的水深 h 时，可得出若干相应的 值，然后将这些值点绘成 h ~ 关系曲线图（见图），在该图的 轴上，量取其值为 的长度，由此引铅垂线与曲线相交于 C 点， C 点所对应的 h 值即为所求hK 。 ;3.等腰梯形断面临界水深计算 若明渠过水断面为梯形，且两侧边坡相同，在这种情况下，可应用一种简便图解法，现将其原理简述如下： 对于等腰梯形断面有： 代入（6-15）式可得（令