工程流体力学6明渠水流两种流态及其转换

第一节 概 述
明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。
明渠水流分类：
明渠恒定流 明渠非恒定流
明渠均匀流 明渠非均匀流
无 明渠非均匀流
人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流.
A Q
A
明渠流与有压流区别
Cross section A-A
有压管流： ① 具有封闭的湿周； ② 压力是流动的主要动力。
（2）总水头线、水面线、渠底线三线平行
J = Jp = i h
（3）摩擦阻力与重力分量相平衡
J Jp v
Gsinθ = FT
i
vh
θ
二、明渠均匀流的形成条件
• 水流恒定，流量沿程不变 • 正坡，底坡沿程不变 • 棱柱体渠道，糙率沿程不变 • 明渠足够长直，不受干扰
均匀流段
非均匀流段
非均匀流段
图 明渠中的流动
不淤流速v’’ 渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流
条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经 验公式确定。
v'' v v'
【例】一条路基排水沟，底坡i=0.005; n=0.025, m=1.5; 要求通过流量 Q 3.5m3 / s ,试按水力最佳断面
的原理求出此排水沟的底宽和水深。
R (b mh)h b 2h 1 m2
B b 2mh
b 2h 1 m2
b
h
m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表
土壤种类
边坡系数 m
粉砂
3.0~5.3
细沙
2.5~3.5
砂壤土
2.0~2.5
粘砂壤土
1.5~2.0
粘土，密实黄土
1.25~1.5
卵石和砌石
1.25~1.5
dlx
明渠底坡有三种类型
正（顺）坡 i > 0 渠底高程沿流程降低
平
坡 i = 0 渠底高程沿程不变
负（逆）坡 i < 0 渠底高程沿流程增加
i>0
i=0
i<0
三、明渠的分类
按断面形状、尺寸是否沿程变化分 棱柱体明渠、非棱柱体明渠
第二节 明渠均匀流特性 及基本公式
一、明渠均匀流的特性
（1） 过水断面形状、尺寸、水深沿程不变，流速分布、 平均流速均沿程不变
谢才系数 量纲 流量
C

1
1
R6
n
C

1 L2T
1


[g
1 2
]

Q AC Ri K i
流量模数
K AC R
谢才公式适用条件 : ?
• 恒定均匀流
阻力平方区
i>0
单位 m.s
糙率 n 值的确定
天然河道中影响糙率 n 值的因素 ① 河床表面粗糙 ② 断面的不规则、平弯情况、 滩地交叉、河道阻碍情况 ③ 河堤沙坡影响随水深变化
h
断面确定：根据地质条件
岩石中开凿或条石砌筑或混
凝土渠或木渠
— 矩形
排水管道或无压隧道 — 圆形
土质地基
— 梯形
h b
渠道底宽 b 渠中水深 h 水面宽度 B 过水断面面积 A 水力半径 R 断面宽深比
B
h
1
α
m
b
边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离
m ctg
A (b B )h (b mh)h 2
第1章 流体及其主要物理性质
第2章 流体静力学 第3章 流体动力学基础 第4章 流动阻力和水头损失 第5章 孔口、管嘴出流及有压管流 第6章 明渠均匀流 第7章 明渠水流的两种流态及其转换
第六章 明 渠 均 匀 流
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 明渠均匀流特性及公式 水力最佳断面及允许流速 无压圆管均匀流
明渠流： ① 具有自由水面（即水面压强为大气压）； ② 重力是流动的主要动力； ③ 明渠水面线即测压管水头线
一、明渠横断面
1.天然河道的横断面 呈不规则形状，分主槽和滩地 枯水期：水流过主槽 丰水期：水流过主槽和滩地
主槽
滩地
2.人工明渠的横断面
据渠道的断面形状分:
梯形、矩形、圆形、抛物线形等
d
θ
例如
一般土渠边坡m > 1，β m < 1，是深
窄形断面，需深挖高填，造成施工不便、维 护管理困难；水深变化大，给通航和灌溉带 来不便，经济上反而不利。因此，限制了水 力最佳断面在实际中应用.
二、允许流速
保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值
不冲流速 v’ 渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于
渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水利设计手册。
注 意: 选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏
小，对实际输水能力影响较大。
第三节 水力最佳断面
及允许流速
一、明渠水力最优断面
51
Q

1 n
21
AR3i 2

1 n
A3i 2
2
3
水力最佳断面：过流断面的面积、糙率、底坡一定,
通过的流量最大的断面形状
当 Q = 一定，要求：A → Amin 当 A = 一定，要求：Q → Qmax
教学内容、重点及难点
基本内容 1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概 念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和 水力要素。 2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽 均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。 3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最 佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明 渠的糙率n值。 4、掌握明槽均匀流水力设计的类型和计算方法，能进 行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。
面积、糙率、底坡一定, 流量最大,要求R最大
半圆形断面为水力最佳断面。
R A

梯形断面的最佳宽深比，Rm = hm / 2
“水力最佳”不 是 “技术经济
m

b h

2(
1 m2 m)
最佳”
矩形断面的最佳宽深比，bm = 2 hm
m 2; bm 2hm 4Rm
综合考虑水力最佳断面不太合理
半岩性的抗水的土壤
0.5~1.25
风化的岩石
0.25~0.5
未风化的岩石
0.00~0.25
二、明渠底坡
底坡i— 渠底高程沿水wk.baidu.com方向单位距离的降落值称为底坡
i sin d z
dl
θ— 渠底线与水平线之间的夹角
如果用水平距离代替实际距离，i dz tg
用垂直水深代替实际水深
• 离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直 棱柱体明渠恒定流
• 天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期
三、明渠均匀流基本公式
o 基本公式
1) Q v1A1 v2 A2
2)
vC
Ri

1
21
R3i 2
n
Q AC
Ri

A
21
R 3i 2

K
i
n
(K AC R)
C

1
1
R6
n
谢才公式
【解】 梯形断面最佳宽深比