水力学讲义-PPT课件

水 正常水深恰好等于该流量的临界水深，则这个渠道的底坡 力 就称为临界底坡。 学 讲 义
第六章 明渠恒定非均匀流
明渠均匀流的基本方程式：
Q = AK CK (RK iK)1/2
Q 2 临界水深的条件式： g
A3 k B k
水 则临界底坡的计算式为： 力 g A g k k 学 i k 2 2 C C 讲 kR kB k kB k 义
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第六章 明渠恒定非均匀流
6.2 断面比能与临界水深
一、断面比能、比能曲线 断面比能Es是以通过明渠断面最低点的水平面为基准 的单位重量水体所具有的总机械能，可表示为：
两种流动状态的分界，称为临界流。 水 力 此时 ν =vw。 学 讲 义
第六章 明渠恒定非均匀流
明渠水流流态的判别依据是佛汝德数 Fr v 弗汝德数 : Fr = gh
:
当Fr ＜1，水流是缓流， 水 力 学 讲 义
当Fr = 1，水流是临界流，
当Fr ＞1，水流为缓流。
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第六章 明渠恒定非均匀流
6.1 明渠水流的三种流态
缓流：当明渠中水流受到干扰
微波后,若干扰微波既能顺水流方 向朝下游传播,又能逆水流方向朝 上游传播,造成在障碍物前长距离 的水流壅起,这时渠中水流就称为 缓流。（如图）此时水流流速小 于干扰微波的流速，即 ν <ν w 。
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第六章 明渠恒定非均匀流
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E s h
2
h 2 2 g 2 gA
2 Q
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当断面的形状、尺寸和流量一定的时候，Es只是水深h的 函数。取α =1，可导出：
2 dE Q B 2 s 1 3 1 Fr dh gA
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从上式可知： 当＞0，必定Fr＜l，水流是缓 流。 当＜0，则Fr＞l，水流是急流。 当＝0，Fr＝1，是临界流，这时Es取极小值，对应的水 深是临界水深hk。
水流称为明渠非均匀渐变流。反之为明渠非均匀急变
流。
第六章 明渠恒定非均匀流
本章着重研究在恒定流情况下，明渠非均匀渐变流的水 流要素沿流程的变化规律，主要研究明渠水深(或水位)沿流 程的变化规律，也就是要分析研究关于水面曲线的变化及
水 力 范围等等。 学 讲 义
其计算，以便恰当地确定明渠边墙高度，以及回水淹没的
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第六章 明渠恒定非均匀流
6.3 临界底坡、缓坡与陡坡
1、临界底坡（critical slope）：在棱柱形渠道中，断面 形状尺寸、流量一定时，在渠中形成均匀流，若均匀流的
第六章 明渠恒定非均匀流
人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。 明渠非均匀流的特点:流线不是相互平行的直线，同一
条流线上各点的流速(包括大小和方向)不同，明渠的底 坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。
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在明渠非均匀水流中，若流线是接近于相互平行的直
线或者说流线间夹角很小，流线的曲率半径很大，这种
急流:当明渠中水流受到干扰后,若干扰微波只能顺水流方
向朝下游传播,不能逆水流方向朝上游传播,水流只在障碍物 处壅起,这种明渠水流称为急流（如图)。此时水流流速大于 干扰微波的流,即 ν >ν w。
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临界流：当明渠中水流受到干扰微波后，若干扰
微波向上游传播的速度为零，这正是急流与缓流这
水 力 取得一个已知条件（水深为临界水深），把该断面作为控 学 制断面，据此来推求上下游水面曲线。 讲 义
如在明渠中，若知道发生临界水深断面的位置，就相当于
第六章 明渠恒定非均匀流
6.5 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式
以0-0为基准面，列断面1-1
水 和2-2的能量方程： 力 学 讲 义
第六章 明渠恒定非均匀流
第六章 明渠恒定非均匀流
二、临界水深hk
临界水深 hk是讨论明渠水流运动和水面线的重要参 数，其计算公式为：
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Q
g
2

A
`3 k
Bk
第六章 明渠恒定非均匀流
临界水深hk的计算方法为试算－图解法、选代计
算和查图法。要求能记住矩形断面明渠临界水深的
计算公式 ： 水 力 学 讲 义
展开并略去高阶项 有：
忽略局部水头损失：
水 力 棱柱形明渠： 学 讲 义
第六章 明渠恒定非均匀流
底坡：
水 则得棱柱形渠道中水深沿程变化规律的基本微分方程： 力 学 讲 义
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h 3 k
Q2
2 gb

2 q 3 g
第六章 明渠恒定非均匀流
利用梯形断面明渠临界水深hk 可以判别明渠水流
的流态：
当明渠内水深h＞hk ，水流为缓流； 水 力 当明渠内水深h =hk ，水流为临界流。 学 讲 义 当明渠内水深h＜hk ，水流为急流；
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第六章 明渠恒定非均匀流
6.4 临界水深的一些实例
在分析明渠水流问题时，了解那些场合会出现临界水深， 具有重要的意义。因为只要测得一个断面上的临界水深并 量取了该断面的尺寸，其流量即能简便而精确地估算出来，
第六章 明渠恒定非均匀流
2、底坡的分类—— 缓坡、陡坡、临界坡
缓坡（i<ik）：即实际的明渠底坡小于某一流量下的临 界 坡度，此时的渠底坡度称为缓坡。 陡坡（i>ik）：即实际的明渠底坡大于某一流量下的临界
水 坡度，此时的渠底坡度称为陡坡。 力 临界坡（i=ik）：即实际的明渠底坡等于某一流量下的临 学 讲 界坡度，此时的渠底坡度称为临界坡。 义