第8章--明渠流动概要.ppt

明 渠 流 动 概述 明渠均匀流 无压圆管均匀流 明渠流动状态 水跃和水跌 棱柱形渠道非均匀渐变流水面曲线的分析 明渠非均匀渐变流水面曲线的计算 概 述 明渠流----具有自由表面,直接依靠重力作用而产生的流动(又称无压流). 明渠流的特点: 具有自由液面,重力对流动起主导作用; 底坡的变化对断面的流速、水深有直接影响; 水深在流程中会发生变化. 不可能产生非恒定的均匀流. 渠道分类 棱柱形渠道——渠道形状、尺寸沿流程不变的长直渠道; 非棱柱形渠道——渠道形状或尺寸沿流程变化的渠道. 渠道分类 底坡——渠道底面的坡度,以i表示; 式中 ?z——渠底的高差； L——对应?z的相应渠长； ?——渠底与水平线的夹角， 底坡分为三类: i0,正坡或顺坡(沿流程降低); i=0,平坡(渠底水平); i0,反坡或逆坡(沿流程升高); 均匀流形成条件和水力特征 形成条件: i0,且不变; 壁面粗糙系数n沿程不变; 棱柱形渠道; 恒定流; 特征:总水头线与水面线与渠底线相互平行. 即 梯形过水断面的几何要素 边坡系数: 水面宽: 过水断面积: 湿周: 水力半径: 均匀流的基本公式 谢才公式: 由于J=i, 流量 谢才系数 粗糙系数n 粗糙系数n，它的大小综合反映了河、渠壁面对水流阻力的大小，是明渠水力计算中的主要因素之一。 粗糙系数n的选择：与渠道表面材料、施工质量以及渠道修成后的运行管理情况等因素有关，粗糙系数n的确定要慎重进行。 n值如选得偏大，设计阻力偏大，设计流速就偏小。将增加不必要的渠道断面积而增加渠道造价。而且，由于实际流速大于设计流速，还可能会引起渠道冲刷。反过来，如n选得偏小，则过水能力就达不到设计要求，而且因实际流速小于设计流速，还会造成渠道淤积。 明渠均匀流的水力计算 渠道的水力计算，可分成三类问题： 1.验算渠道的输水能力——已知渠道断面形状及大小、粗糙系数及渠道的底坡，求渠道的输水能力。即已知K、i，求Q。 2．确定渠道底坡——已知渠道断面尺寸、粗糙系数、流量或流速，求渠道的底坡。即已知b、h、m、n、Q或各量，求i。这类的计算主要用于：下水道为避免沉积淤塞，要求有一定的“自清”速度，这就必须要求有一定的坡度。 3.确定渠道的断面尺寸——已知渠道输水量Q、渠道底坡、粗糙系数n及边坡系数m，求渠道断面尺寸b和h。这是设计新渠道断面的问题，但从基本公式中可知，一个方程要解两个未知数（b和h），则有无数组解，因此要得到唯一的解，就必须附加条件。 水力最优断面 明渠的输水能力取决于底坡i、渠壁的粗糙系数n及过水断面A的大小及形状。通常，i的大小随当地的地形而定，n则取决于所选的渠壁材料。因此，渠道的Q仅取决于A的大小及形状R。而在底坡i、粗糙系数n和过流面积A一定的条件下，能使渠道的输水能力最大的断面形状称为水力最优断面。 在i、n、A已给的条件下，要使Q最大，则要求R最大，即湿周最小。所谓水力最优断面，就是湿周最小的断面形状。 优点：输水能力最大，渠道护壁材料最省，渠道渗水量损失也最少。 水力最优断面 梯形断面的宽深比?h： 当m=0时，即为矩形断面，宽深比?h=2。 水力最优断面时，任意形状断面的水力半径为水深的二分之一。 允许流速 允许流速------对渠身不会产生冲刷，也不会使水中悬浮的泥纱在渠道中发生淤积的断面平均流速。 在设计中，要求渠道的流速在不冲、不淤的允许流速范围内，即 补充条件 一般分为四种： ⑴水深h已定，求相应的底宽b。 计算时，给出不同的b值，即可计算出相对应的K，并根据这些b和K值，作出曲线，再从给定的Q和i，计算出K=Q/i0.5。找出对应于这K值的b值，即为所求。 无压圆管均匀流 无压圆管------非满管流的圆形管道。 无压圆管均匀流的特征及基本公式： 与明渠均匀流完全一样。 水力计算（分三类） 1.验算输水能力； 2.决定管道坡度； 3.计算管道直径。 输水性能最优充满度： 当h/d=0.95时（θ=308°），Q/Q0=1.087，则此时通过的流量最大，为恰好满管流时流量的1.087倍； 当h/d=0.81时（θ=257.5°），v/v0=1.16，则此时管中的流速最大，为恰好满管流时流速的1.16倍。 最大充满度、设计流速： 1．污水管道应按不满流计算； 2．雨水管道和合流管道应按满管流计算； 3．排水管的最小设计流速：对污水管道（在设计充满度时），当管径d?500mm时，为0.7m/s；当管径d?500mm时，为0.8m/s。 明渠非均匀流 明渠非均匀流的形成: 非正坡或坡度沿程变化; 或n沿程变化; 或非棱柱形渠道；或非恒定流