84棱柱形明渠非均匀渐变流水面曲线分析54.PPT

流体力学 泵与风机 第一部分 流体力学 8 明渠流动、堰流和渗流 8 明渠流动、堰流和渗流 【知识点】 明渠流动部分知识点 明渠流动特点及几何性质，明渠均匀流的特征及形成条件，明渠均匀流基本公式，水力最优断面，允许流速，明渠非均匀流的特点及表征量，明渠流动状态及判别，水跃和水跌，明渠非均匀流基本方程，明渠非均匀流水面曲线。 堰流部分知识点 堰流定义，堰流特征，堰流分类，堰流基本公式； 渗流部分知识点 渗流及其简化模型，达西定律及裘皮依公式，井和井群。 8 明渠流动、堰流和渗流 【能力目标】 熟练识记 明渠流动的基本概念。 掌握 明渠均匀流基本公式并能够熟练运用其进行水力计算，能够熟练运用明渠流动状态的判别方法进行流态判别。 了解 明渠非均匀流微分方程，具备初步分析明渠非均匀渐变流水面曲线的能力。 熟练识记 堰流、渗流及井和井群的基本概念，能够进行简单的计算工作。 8 明渠流动、堰流和渗流 8 明渠流动、堰流和渗流 8.1 明渠流动概述 ※8.1 明渠流动概述※ 明渠流动是水流的部分周界与大气接触，具有自由表面的流动。自由表面上各点受当地大气压强的作用，其相对压强为零，所以又称无压流动。实际上，明渠中的水流是直接依靠重力作用而产生的流动，因此，明渠流也叫重力流。常见的人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道和隧洞中的水流都属于明渠流动。明渠水力学理论研究将为输水、排水、灌溉渠道的设计和运行控制提供科学依据。 8.1 明渠流动概述 明渠的过水断面形状、尺寸及底坡的变化对明渠水流运动有着重要的影响，直接关系到明渠输送水流功能的发挥。 明渠的横断面 明渠断面有各种各样的形状，如梯形、矩形、圆形、半圆形及抛物线形等，如图8.1所示。天然河道的断面一般为不规则形状，常见的横断面具有主槽和滩地的形式。人工渠道的断面均为规则形状，土渠大多为梯形断面，涵管、隧洞多为圆形断面，也有采用马蹄形或卵形断面的；混凝土渠或渡槽则可能采用矩形、半圆形或U形断面。 8.1 明渠流动概述 8.1 明渠流动概述 明渠的底坡 如图8.2所示，明渠渠底 与纵剖面的交线称底线。 底线沿流程在单位长度 内的高程差称为渠道纵 坡或底坡，以符号i表示 在实际工程中，一般的渠道底坡都很小，θ角很小，为便于量测计算，通常以断面间的水平距离lx代替渠底线长度，以铅垂深度h作为过流断面的水深，则 8.1 明渠流动概述 如图8.3所示，明渠底坡可分为三种情况：底线高程沿程下降（ ），称为顺坡或正坡；底线标高沿程不变（ ），称为平底坡；底线标高沿程升高（ ），称为逆坡或反底坡。 8.1 明渠流动概述 棱柱形渠道和非棱柱形渠道 明渠根据渠道的几何特性可分为棱柱形渠道和非棱柱形渠道。 断面形状、尺寸及底坡沿程不变的长直渠道称为棱柱形渠道，其过水断面面积A仅随水深h而变化，即 如图8.4所示为棱柱形梯形渠道，其宽度b、边坡m沿程不变。断面规则的长直人工渠道、管径相同的排水管道和涵洞等是典型的棱柱形渠道。 8.1 明渠流动概述 断面形状、尺寸及底坡沿程变化的渠道则称为非棱柱形渠道，其过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化，也就是说，过水断面A的大小是水深h及其距某起始断面的距离s的函数，即 如图8.5所示为非棱柱形梯形渠道，其宽度b、边坡m的某一项沿程有变化。渠道的连接过渡段，是典型的非棱柱形渠道，天然河道的断面不规则，都属于非棱柱形渠道。 8.1 明渠流动概述 明渠流动有以下特点。 明渠流动具有自由表面，沿程各断面的表面压强都是大气压，重力对流动起主导作用。 明渠底坡的改变对断面的流速和水深有直接影响，如图8.6所示，底坡 ，则流速 ，水深 。而有压管流，只要管道的形状、尺寸一定，管线坡度变化对流速和过流断面积无影响。 8.1 明渠流动概述 明渠局部边界的变化，如设置控制设备、渠道形状和尺寸的变化，改变底坡等，都会造成水深在很长的流程上发生变化。因此，明渠流动实际上存在均匀流和非均匀流（图8.7），而在有压管流中，局部边界变化影响的范围很短，只需计入局部水头损失，仍按均匀流计算（图8.8）。 综上所述，重力作用、底坡影响、水深可变是明渠流动有别于有压管流的特点。 8.2 明渠均匀流 ※8.2明渠均匀流※ 明渠均匀流的水力特征 明渠均匀流同时具有均匀流和重力流的特征，其流线是相互平行的直线，所有液体质点都沿着相同的方向做匀速直线运动，在水流