工程流体力学课件 第07章_明渠流(新).ppt

第七章 明渠流 明渠: 是一种具有自由表面水流的渠道，包括人工修建的过水渠道和自然形成的天然河道以及未充满水流的管道。 明渠水流与有压管管流主要区别在于其过水断面部分是固体边界，部分是以大气为边界，水面上作用着大气压强，其相对压强为零，因此明渠水流又称为无压流动。 第一节 明渠的分类 根据过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动的影响分类 一 棱柱体渠道和非棱柱体渠道 二 正坡、平坡和逆坡渠道 按沿程底坡θ值分类 三 规则断面和不规则断面渠道 按渠道横断面形状的不同划分。规则断面渠道的横断面的各水力要素(A,χ,R,B)在水深h的全部变化范围内，均为水深h的连续函数的渠道，如矩形、梯形、三角形、圆形等横断面的渠道。而不规则断面渠道的横断面的各水力要素不是水深h的连续函数。 定义无量纲系数 为充满度，θ为充满角 第二节 明渠的几何特性 。 一、 明渠的横断面、过水断面和底坡 1. 横断面: 由过渠道中心线垂直的铅垂面与渠底及渠 壁的交线构成。对于人工明渠，为便于施工构造要求简 单又要符合水流特点，一般做成对称断面。天然河道的 横断面多为不规则的形状，而且一条河道各处横断面的 形状、尺寸往往不同。流量小水位低时，水流集中在主 槽中;流量增大时，水位上涨漫至滩地，横断面由主槽和 滩地两部分构成。（见下图） 2. 过水断面: 指与流向相垂直的断面，除了包括渠道轮廓外还包括水面轮廓。一般来讲，过水断面与渠底平面相垂直，与铅垂面之间形成夹角θ。 3. 底坡: 明渠渠底一般沿纵向向下游倾斜，渠底与明渠水流纵剖面的交线称为渠底线，渠底线与水平线的夹角θ的正弦称为明渠的底坡，以i表示。 天然河道的渠底线是一条起伏不平的曲线，很难用一个底坡值表示，用某一河段的平均底坡来说明河床的纵向变化趋势。为了便于计算和测量，取铅垂方向的过水断面代替垂直于流向的过水断面。 环境工程及给排水工程中，还常用圆形断面的明渠流， 如污水管道、雨水管道等。 定义无量纲系数 为充满度，θ为充满角。 过水断面面积 : 湿 周 : 水 力 半 径 : 水 面 宽 : 第三节 明渠均匀流 定义: 水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程 不变的流动称为明渠均匀流，也叫做明渠等速流，是明 渠水流的最简单的形式。 一 明渠均匀流的特征及发生条件 如图，对任意两断面建立伯努利方程，由明渠均匀 流的定义，得到 即在一定距离上水流单位势能 的减少恰好等于克服沿程阻力 的能量损失。水力坡度沿程不 变，将上式两端同除以两断面 间长度，可得到明渠均匀流的 水力坡度J、水面坡度Jz和渠底底坡i三者相等， 明渠均匀流的水力特性: ①水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程不变 ②在一定距离上水流单位势能的减少恰好等于克服沿程阻力的能量损失 ③明渠均匀流的水力坡度J、水面坡度Jz和渠底底坡i三者 相等， 形成条件: ①水流是恒定的，流量沿程不变，沿程不能有支流的流入和流出 ②只能发生在渠底底坡i和粗糙系数n不变的棱柱体人工渠 道中，而且 ③渠道沿程不能有建筑物对水流形成干扰 二 计算公式 采用法国工程师谢才提出的公式，即谢才公式 (1) V—平均流速;R—水力半径;J—水力坡度;C—水流的流速 系数，与R、n有关，称为谢才系数。 因为明渠均匀流的 ，所以有 ， 明渠均匀流流量为 (2) K—流量模数，表示在一定断面形状和尺寸的棱柱体渠道 中，当底坡 时通过的流量。 谢才系数C用曼宁公式计算， (3) 式中的n简称糙率，它综合反映了明渠边壁状况对水流阻 力的主要影响，取值查表得到。 三 明渠水力最优断面和允许流速 1. 明渠水力最优断面 在设计渠道时，底坡i一般随地形变化，糙率n取决于 渠壁材料，因此流量Q只取决于断面大小和形状。从设计 角度看，希望过水断面面积A一定时，流量Q最大。 当i、n、A一定时，渠道所通过的流量最大的断面称为水 力最优断面。 由均匀流的基本关系式: i、n、A一定时，湿周最小时断面通过的流量最大。 以梯形断面明渠为例来计算。 过水断面面积: