流体力学讲座.ppt

工程流体力学教研室
流体力学远程教学电子文档
兰州交通大学
总负责:孙三祥副教授
第八章明渠水流
第一节概述
第二节明渠均匀流
第三节无压圆管均匀流
第四节明渠流动状态
第五节水跃和水跌
第六节渠道非均匀渐变流水面曲线
第八章明渠水流
第一节概述
人工渠道、天然河道以及不满流的管道统称为明渠。明渠水流有恒定流和非恒定均匀流、均匀流和非均匀流。
一、明渠流动的特点
,它具有自由表面,沿程各段面的表面压强都等于零,重力和惯性力对流动起主导作用。
,面有压管流明渠底坡的改变对流速和水深有直接影响,而有压管流,只要管道形状,尺寸一定,管线坡度变化,对流速和过流断面面积没有影响。
,都会造成水深在很长的流程上发生变化。因此,明渠存在均匀流和非均匀流。而有压管流中,局部边界变化的影响的范围很短,只需计入局部水头损失,按均匀流计算。
沿渠道中心线所作的铅垂面与渠底的交线称为底坡线(称为底坡),用i表示。该垂面与水面的交线称为水面线。对人工渠道如图8—1(a),渠底可看作平面;对天然河道如图8—1(b)、河底是起伏不平的,但总趋势是沿程下降。
二、明渠的分类
(a)人工渠道(b)天然河道
图8—1明渠水流
底坡i反映了渠庇的纵向倾斜程度。渠底与水平面的夹角为,若,i>0渠底沿程下降、称为顺坡(如图8—2(a)),小于临界坡的称为缓坡,大于临界坡的称为陡坡,等于临界坡的叫做临界坡 i=0,渠底水平,称为平坡; ,渠底沿程上升,称为逆坡(如图8—2(b))。
(a)顺坡(b)逆坡
图8—2渠道底坡
(8—1)
三、棱柱形渠道和非棱柱形渠道图8—3 棱柱体、非棱柱体渠道
根据渠道的几何特性分为:棱柱形渠道和非棱柱形渠道。
在工程实际中,由于地形地质条件改变,或由于水流运动的需要,明渠需要改变其断面形状或转弯,断面形状和大小、底坡、表面粗糙情况等沿程不变又无弯曲的渠道称为棱柱形渠道。只要有一个条件改变,就属于非棱柱形渠道。见图8—3表面粗糙情况等沿程不变又无弯曲的渠道称为棱柱体渠道。只要有一个条件改变,就属于非棱柱渠道。见图8—3。
图8—3 棱柱体、非棱柱体渠道
四、自动调节式渠道与非自动调节式渠道
当由于引渠下游输水的建筑物和机械设备出现故障,而无法保障正常输水,而上游渠道的水流由于惯性继续向下游流动,从故障处向上游发生回水,引起雍波,若渠道顶部与渠道底部平行,可能会发生渠道的漫堤现象,这样的渠道称为非自动调节式渠道;为了确保不发生漫堤现象,有意识地将渠顶设计成水平,这样的渠道称为自动调节式渠道。
第二节明渠均匀流
一、明渠均匀流特征
1. 在i>0的棱柱形渠道中,若无局部障碍物,则所有的流线都是互相平行的直线,这种流动称为均匀流。明渠均匀流的条件使水流沿程减少的位能,等于沿程水头损失,而水流的动能保持不变。如图8—4,在棱柱体渠道中,取一长为的流段来研究。在该流段有, ,沿流动方向的力为
所以即重力在流动方向的分量与摩擦阻力相平衡。
图8—4明渠均匀流
,明渠均匀流有以下特征:
①.过水断面的形状、尺寸、水深沿程不变;
②.所有的流线都是互相平行的直线;
③.过水断面上的流速分布、平均流速沿程不变,因而动能修正系数也沿程不变;
④.总水头线、测压管水头线、底坡线互相平行,也就是水力坡度、测压管
坡度渠道底坡彼此相等,即J=JP=i
二、明渠均匀流的基本计算公式
明渠均匀流的基本公式为连续性方程和谢才公式,如图8—4所示,即Q=Av,
明渠水流谢才公式:
(8—2)
因为J=i,可得:
明渠均匀流谢才公式: (8—3)
在明渠均匀流中,用表示均匀流的水深,则(称为正常水深),

故(8—4)
谢才系数c广泛采用曼宁公式,即:
(8—5)

谢才系数c广泛采用曼宁公式,即n为式中:n——糙率或称粗放系数,查表6—2。
式(8—3)和式(8—4)中,过流量与过水段面的水力要求有关。