水力学课件第6章明渠恒定非均匀流.pptxVIP

水力学;主要内容;授课目的;重点和难点;6.1概述;明渠均匀流是一种等速流和等深流，而明渠非均匀流则属于变速流和变深流；

明渠均匀流的水面线是与测压管水头线相重合、与渠道底坡相平行的直线，而明渠非均匀流的水面线则是多种多样的，有些地方水深沿流程增加，有些地方水深沿流程减小，还有些地方，水面会突然升高或突然降低；

明渠均匀流的水力坡度、测管坡度和渠底坡度三者相等，即J=Jp=i，而明渠非均匀流三者不会相等。;非均匀流又可分为渐变流和急变流两种。对于急变流来说，目前还不能完全从理论上进行分析，大多采用实验的方法来处理。对于渐变流而言，当流线的曲率很小，接近直线时，可近似按均匀流计算，即借用均匀流公式来反映各种水力要素间的关系。;6.2断面比能与临界水深;在发生非均匀流段选一过水断面1-1，由能量方程得该断面相对于基准面o-o的总水头（单位机械总能E）为;;断面比能的变化规律;由于有水头损失，E值总是沿程减小的，因此，E的沿程变化率(dE/dL)0。但是，Es的沿程变化率则与底坡i及水力坡度J有关：当iJ时，(dEs/dL)0，即断面比能沿程增加；当iJ时，(dEs/dL)0，即断面比能沿程减小；当i=J时，(dEs/dL)=0，即断面比能沿程不变，这属于均匀流的情况。这也说明单位总能与断面比能是两个完全不同的概念，应注意区别。;;同时我们还可以证明，水深h从0增加到∞时，断面比能必有一最小值。相应于断面比能最小值时的水深，称为临界水深，以“hk”表示。;急流区;由断面比能曲线图可知，临界水深将断面比能曲线分为上、下两支。当实际水深h=hk时，相应的流速称为临界流速，以“vk”表示，并将这样的水流状态称为临界流。而对应于曲线上、下两支的水流性质则完全相反：当hhk时，vvk，断面比能随水深的增加而增加，这种水流状态称为缓流；当hhk时，vvk，断面比能随水深的增加而减小，这种水流状态称为急流。因此，临界水深是判别水流状态的一个十分重要的特征水深。;临界水深的计算;;试算法;迭代法（以梯形断面渠道为例）;图解法;解析法;临界底坡;;在顺坡渠道(i0)中，由??渠均匀流基本公式可知，当实际底坡i临界底坡ik时，相应的正常水深h0临界水深hk，此时渠中均匀流是急流，相应的底坡称为急坡；当iik时，h0hk，渠中均匀流是缓流，相应的底坡称为缓坡；当i=ik时，h0=hk，渠中均匀流是临界流，相应的底坡称为临界坡。;;应用举例;;（2）迭代法;承上例，梯形渠道的底宽b=12m，边坡系数m=1.5，流量Q=18m3/s，粗糙系数n=0.025，试求临界底坡ik。;6.3明渠中三种水流形态的判别;1.定义法;2.佛汝德数法;佛汝德数的物理意义;当水流为临界流时，Fr=1;这表明，对于矩形渠道来说，在临界流时，单位平均动能占断面比能的三分之一；缓流时（Fr1），单位平均动能小于断面比能的三分之一；急流时（Fr1），单位平均动能大于断面比能的三分之一。;;;但在动水中，波的传播要受到渠道中水流速度v的影响，可能有三种情况：

1.当vC时，微波既能以绝对速度（C-v）向上游传播，也能以绝对速度（C+v）向下游传播，因此局部干扰微波对上、下游水流都有影响。

2.当vC时，微波不能逆流向上游传播，只能以绝对速度（C+v）向下游传播，因此，干扰微波对上游没有影响。

3.当v=C时，这是一种临界状态，微波不能向上游传播，只能以2C的绝对速度向下游传播，因此，干扰微波对上游也无影响。;v=0;设一平底矩形断面水渠，水体静止，水深为h。;;观察微波传播：

波形所到之处将带动水流运动，流速随时间变化，是非恒定流。;选动坐标随波峰运动，假想随波前进来观察渠中水流;相对于动坐标系而言，波静止，渠中原静止水体则以波速C从左向右流动。;;;;判别法

流态;例：一矩形断面明渠，已知流量Q=30m3/s，底宽b=8m。要求：

求渠中临界水深hk；

假设渠中实际水深h=3m，试用不同的方法来判别水流的流态。;解：（1）求临界水深

;（2）判别水流形态;当渠中实际水深h=3m时;6.4水跃;水跃下部：主流区，流速由快变慢，急剧扩散;丹江口水利枢纽工程;八盘峡水利枢纽工程;在突变的水跃区内，表面有部分水体向上游倒流形成掺气漩滚区，下部为主流区，水流紊动剧烈，能量损失很大，有时可达跃前断面能量的85%，因此，工程上常用水跃作为有效的消能手段。;水跃前后的水深用h’和h’’表示，两者之间有一定的函数关系，称为共轭水深。h”-h’=a称为跃高。水跃的水力计算，主要是计算共轭水深和水跃长度，并确定水跃发生的位置。;一、完整水跃基本方程;跃前断面：表面旋滚起始断面：1-1