水力学课件作者裴国霞唐朝春7,8,9章节第九章节明渠恒定非均匀流(一).ppt

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尚辅网 / 第9章 明渠恒定非均匀流 9.1 概述 9.2 缓流、急流、临界流及其判别 9.3 断面单位能量和临界水深 9.4 水跃和水跌 9.5 明渠非均匀渐变流的基本微分方程 9.6 明渠非均匀渐变流水面曲线分析 9.7 明渠非均匀渐变流水面曲线的计算 9.1 概述 明渠非均匀流: 渠道中过水断面水力要素沿程发 生变化的水流。 特点: 明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互 不平行。 微波速度的确定 以渠底为基准面,取相距很近的过水断面1-l和2-2建立能量方程与连续性方程,有 9.2 缓流、急流、临界流及其判别 在静水中沿铅垂方向丢下一块石子 当水流的流速 等于波速(v= )时 当水流流速 大于波速(v )时 当水流流速 小于波速(v )时 水流流速 联立,得: 代入 微波的绝对速度 式中,v 为水流速度,c 为微波(扰动波)波速 缓 流 v c 临界流 v = c 急 流 v c 明渠流态 明渠水流的流态 缓流:水流流速小,水势平稳,遇到干扰,干扰的影响既能向下游传播,又能向上游传播。 急流:水流流速大,水势湍急,遇到干扰,干扰的影响只能向下游传播,而不能向上游传播。 9.2.2 流态判别数——弗劳德数 当 时,绝对波速 ,明渠中水流为临界流,这时的断面平均流速称为临界流速,用 表示 此时 弗劳德数 ,水流为临界流 ,水流为缓流 ,水流为急流 弗劳德数的物理意义: 表示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,Fr愈大,意味着水流的平均动能所占的比例愈大。 表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关系。急流时,惯性对水流起主导作用;缓流时,重力对水流起主导作用。 9.3 断面单位能量和临界水深 如右图,某断面单位质量液体对基准面0-0所具有的总机械能 为 当把基准面选在渠底位置,则单位质量液体相对于新基准面 所具有的机械能 称为断面单位能量(或断面比能),此时 断面比能是以通过各自断面最低点的基准面计算,其值沿程可能增加,也可能沿程减小,还可能沿程不变。 对于棱柱形渠道,流量一定时 当流量和断面的形状尺寸一定时,断面比能仅仅是水深的函数。 断面单位能量 随水深 变化的关系曲线,称为比能曲线。 45° o h K hcr 或 断面比能随水深的增加而增加 断面比能随水深的增加而减小 比能曲线以坐标轴 为渐近线 比能曲线以45斜线为渐近线 时 称为临界水深 缓流Fr<1, 急流Fr1, 9.3.2 临界水深 临界水深:在渠道断面形状、尺寸和流量一定的条件 下,相应于断面比能最小的水深 。 对 求导 令 临界水深 的普遍式 一般断面明渠的临界水深计算 试算法 图解——试算法 假设水深 当渠道断面为矩形时 单宽流量 代入 说明矩形临界水深 为流速水头的两倍 此时 9.3.3 临界底坡 当正常水深恰好与临界水深相等时的底坡,称为临界底坡 。 给定Q、n、渠道断面形状尺寸,则 = f(i),若 有 , 为临界底坡。 满足 式中, 分别为临界水深对应的谢才系数、水力半径、湿周和水面宽度。 Q i10 h0 临界底坡、缓坡与陡坡 hcr h0 Q i2i1 hcr h0 Q hcr 缓坡 临界坡 陡坡 均匀流为缓流 均匀流为临界流 均匀流为急流 注意:缓坡、陡坡和临界坡是相对流量(或n) 不同流量(或n)下,同一底坡可是缓坡,陡坡或临界坡 一定Q ,或n下,i 属哪种坡度是确定的 三种底坡上的水流可以是均匀流、或非均匀流 每一种底坡可能产生非均匀缓流、或非均匀急流 明渠水流流态的各种判别方法 i= ,h 0 = h= Fr=1 V= 临界流 i ,h 0 h Fr1 V 急 流 i ,h 0 h Fr1 V 缓 流 均匀流时按底坡 按临界水深 按 佛汝德数 Fr 按 波速 判别法 流态 i= ,h 0 = h= Fr=1 V= 临界流 i ,h 0 h Fr1 V 急 流 i ,h 0 h Fr1 V 缓 流 均匀流时据底坡 临界水深 弗劳德数 Fr 波速 判别法 流态 c c c c cr h cr h cr h cr h cr h cr h cr h ct i ct i ct i

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