水力学：第7章 明渠流动.ppt

第7章明渠流动（OpenChannelFlows）明渠流又称无压流。7.1明渠流动概述7.1.1明渠流动的特点（1）明渠流动具有自由液面，沿程各过流断面的表面压强均为大气压，重力对流动起主导作用。（2）明渠渠底坡度的改变对流动有直接影响。（3）局部边界的变化将在很大范围内影响流动。7.1.2底坡明渠渠底与纵剖面的交线称为底线。底线沿流程单位长度的降低值称为渠道的纵坡或底坡（slope），以符号i表示。通常渠道底线与水平线夹角θ很小，为便于量测与计算，以12llxθzb1zb2水平距离lx代流程长度l，以铅垂断面代替过流断面，即12θzb1zb2底坡共分为三种类型：底线沿程降低，i＞0，称为正底坡或顺坡（slope）；底线沿程不变，i=0，称为平坡（horizontalbed）；底线沿程升高，i＜0，称为反底坡或逆坡（adverseslope）。i＞0i=0i＜07.1.3棱柱形渠道与非棱柱形渠道断面形状与尺寸沿程不变的渠道称为棱柱形渠道；否则为非棱柱形渠道。棱柱形渠道的过水断面面积只随水深而变化，即A=f(h)；而非棱柱形渠道的过水断面面积既随水深而变化，又随断面位置而变，即A=f(h，s)。7.2明渠均匀流明渠均匀流是指流线为平行直线的明渠水流。7.2.1明渠均匀流形成的条件及特征设一明渠均匀流，列1-2断面伯努利方程式中h1表示重力势能全部用来克服水头损失。12Δzh2于是有lx上式除以流程lx，得或表明，明渠均匀流只能产生在流动边界不变的顺坡渠道中。由于明渠均匀流是等深流动，水面线即测压管水头线与渠底线平行，二者坡度相等，即明渠均匀流又是等速流，各断面流速水头相等，水面线7.2.2过水断面的几何要素于是有明渠均匀流特征为：以梯形断面为例：基本量：m—边坡系数，表示边坡的倾斜程度，m=a/h=cotα。即测压管水头线与总水头线平行，二者坡度相等，即b—底宽；h—水深，均匀流以hN表示；bBhaα导出量：B—水面宽A—过流断面面积7.2.3明渠均匀流的基本公式R—水力半径谢才公式根据明渠均匀流的特征，即水力坡度等于底坡，谢才公式可为其中K称为流量模数。P—湿周或7.2.4明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算也可分为三类问题：第一类问题是验算渠道的输水能力。鉴于渠道已建成，断面形状与尺寸、壁面材料以及底坡均为已知，只需算出K值，代入基本公式即可求得流量第二类问题是确定渠道底坡。根据所要求的流量以及渠道的具体情况（断面形状与尺寸及壁面材料等），算出K值，代入基本公式即可求得底坡情况i，材料情况m与n，设计渠道的底宽b与水深h。第三类问题是设计渠道断面。根据所要求流量Q，地势由于所求未知量为两个，而基本方程只有一个，因此需要补充求解条件。（1）给定水深h，求解相应的底宽b。（2）给定底宽b，求解相应的水深h。（3）补充宽深比β=b/h，与基本方程联立求解b与h。大型渠道的宽深比由综合经济技术比较给出。小型渠道按水力最优条件给出，即（4）限定允许流速，联立求解b与h。建立方程组联立求解b与h。由7.2.5水力最优断面与设计流速（1）水力最优断面将曼宁公式代入明渠均匀流基本公式上式说明了明渠均匀流输水能力的影响因素。其中底坡i取决于地形，粗糙系数n取决于壁面材料。因此，输水能力Q只决定于过流断面的大小和形状。当i、n和A一定，使所通过的流量Q最大的断面形状，或者使水力半径R