水力学第八章明渠恒定非均匀流

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第八章明渠流

解：（1）水力最优
A=(b+mh)h=（0.83h+h）h=1.83h2 又水力最优R=h/2
即hm=1.98m； bm=1.98×0.83m=1.64m
§8—3 无压圆管均匀流
可按明渠均匀流基本公式计算。一、无压圆管各水力要素之间的关系。 1.基本量 d ——直径 h——水深 θ——充满角 α——充满度。
△z
L
△z
θ L
若θ很小，则： 1> i = sinθ≈ tgθ=
△z
Lx
2> 过流断面的水深 h1≈h2 铅垂水深。
h1
h2
5、按流动是否恒定：
（1）明渠恒定流；
（2）明渠非恒定流。 6、按流动是否均匀：
（1）明渠均匀流；
（2）明渠非均匀流。
四、适用范围：
明渠
暗渠
一般用来输送清水。一般用来输送污水。
Q Av Ac Ri K i
验算 v 是否合乎要求。
2、计算渠道的粗糙系数。已知： Q ，b， h， m， i 求： n 方法：
Q
1 R i A n
2 1 3 2
3、设计渠道底坡。已知： Q， b， h， m， n （1） K Ac R 求： i 方法：（2） i Q2
式，可适用于不同 d、n 时的情况。
两条曲线：（1） A Q k i f ( h ) f ( ) 1 Qd k d i d 其中： Qd——满流 Q——不满流
d h0
а
A= f 1 (α)
f (α)
（ 2）
v c Ri B f 2 ( ) vd c d Rd i
流量：Q = AQd 不满流时：
可参考《室外排水手册》

土木工程师-专业基础(水利水电)-水力学-明渠恒定非均匀流动

土木工程师-专业基础（水利水电）-水力学-明渠恒定非均匀流动[单选题]1.有一河道泄流时，流量Q＝120m3/s，过水断面为矩形断面，其宽度b＝60m，流速v＝5m/s，河道水流的（江南博哥）流动类型为()。

[2016年真题]A.缓流B.急流C.临界流D.不能确定正确答案：B参考解析：解法一：比较河流水深（h）与临界水深（hc）的关系。

根据题意有：h＝Q/（vb）＝120/（5×60）＝0.4m由于hc＞h，因此判断河道的流动类型为急流。

解法二：计算弗劳德数，因因此判断河道的流动类型为急流。

[单选题]2.满足dEs/dh＝0条件下的流动是()。

[2013年真题]A.缓流B.急流C.临界流D.均匀流正确答案：C参考解析：h表示水深，Es表示断面单位能量，dEs/dh＞0时，断面单位能量随水深增加而增加；dEs/dh＜0时，断面单位能量随水深增加而减小；dEs/dh＝0为断面比能最小的临界情况，此时弗劳德数Fr＝1，水流为临界流。

[单选题]3.下列哪种情况可能发生？()[2017年真题]A.平坡上的均匀缓流B.缓坡上的均匀缓流C.陡坡上的均匀缓流D.临界坡上的均匀缓流正确答案：B参考解析：A项，明渠均匀流只能发生在正坡渠道中，即i＞0；平坡（i＝0）不能产生均匀流。

正坡渠道中，按渠道的实际底坡i与临界底坡ic相比又分三种情况：①i＜ic为缓坡，此时，h0＞hc，均匀流是缓流；②i＞ic为陡坡或称急坡，此时h0＜hc，均匀流是急流；③i＝ic，为临界坡，此时h0＝hc，均匀流是临界流。

平坡和逆坡不可能发生均匀流；临界坡上的均匀流为临界流；当i＜iK时，可发生均匀流态为缓流，底坡为缓坡的情况。

[单选题]4.水跃跃前水深h′和跃后水深h″之间的关系为()。

[2014年真题]A.h′越大则h″越大B.h′越小则h″越小C.h′越大则h″越小D.无法确定正确答案：C参考解析：水跃是明渠水流从急流状态（水深小于临界水深）过渡到缓流状态（水深大于临界水深）时，水面骤然跃起的局部水流现象。

第八章均匀流动及其有关概念

旋涡区并不固定在一定地区,而沿着主流区上下稍许移动.(脉动剧烈)
水跃还引起大量的能量损失,可作为消能的方式. 跃前水深 h 和跃后水深 h 称为共轭水深.
水跃分类：
1、带有表面旋滚的自由水跃(图 a)(也称完整水跃) h h 相差很大.
2、不带表面旋滚的波形水跃(图 b) h h 相差不大

B
dh dA
Q 2 dA
gA dh dA B dh
0
2
3

de dh
1
Q 2
g

B A3
令
1
de dh
h 求得 e emin 时之水深 k
Q
g

B A3
0
或
Q 2
g

Ak
3
Bk
即为求的hk 公式
§ 8-2 断面单位能量、临界水深
求 hk 的几种方法：
①作图（试算）
Rk
ck
33 .06
A3 B
Ak
k
1 n
0.544 m
1 6
Rk

1 n
0.544

1
6
36 .14 m
1
2
s
ik
g
c
2 k

k
Bk

9 .8 1 36 .14
2

14 .15 13 .79
0.0077
§ 8-3 缓流、急流、临界流及其判别准则 § 8-3 缓流、急流、临界流及其判别准则
一.缓流,急流,临界流
临界流速 Vk -----明渠水流在临界水深时的流速临界流 V Vk 急流（ V ＞ V k ) 缓流（ V＜ V k )

水力学课件第8章明渠非均匀流w

Q 2
ds ( 2gA2 ) gA3
dA ds
Q 2
gA3
Bdh ds
Fr2
dh ds
3. dhw ds
J
Q2 K2
i dh Fr2 dh J 0
ds
ds
明渠恒定非均匀渐变流的基本方程
dh
iJ
i
Q2 K2
ds 1 Fr2 1 Fr2
（二）棱柱体明渠渐变流水面曲线形状分析
单位重量流体所具有的机械能
E z p v2 g 2g
断面单位能量
Es
h v2
2g
h
Q2
2 gA2
(1)断面单位能量（cross-sectional unit energy）
1.
E
z0
Es
z0
h
v2
2g
两者区别
2. dE 0 ds
dEs 0; dEs 0; dEs 0 ds ds ds
1)
水跃分类波状水跃 1 Fr1 1.7 弱水跃 1.7 Fr1 2.5 K j 20% 不稳定水跃 2.5 Fr1 4.5 K j 20% ~ 45% 稳定水跃 4.5 Fr1 9 K j 45% ~ 70% 强水跃 9 Fr1 K j 85%
一.明渠水流的两种流态及其判别
1.明渠水流的两种流态
急流(Supercritical flow ) 当底坡陡峻，水流湍急，遇到障碍物时，水面在障碍物顶上或稍向上游隆起。但是障碍物对上游较远处的水流并不发生影响。这种水流状态称为急流。
一.明渠水流的两种流态及其判别
1.明渠水流的两种流态
缓流Subcritical Flow 底坡平缓，流速较小，遇到渠底有阻水的障碍物时，在障碍物处水面形成跌落，而在其上游则普遍壅高，一直影响到上游较远处。这种水

明渠恒定非均匀流

思路：
1、 Q2 Ak3 g Bk
A3 h~
B
2、由q查hK’，由hK’m/b查hK /hK’，求得hK 3、比较均匀流水深h与hK
（一）Q12 / g 182 / 9.81 6.53 假设一系列的水深h，计算值列于下表：
h (m) B (m) A (m2) A3/B
0.20 8.40 1.64 0.53
Q2 A3 — —临界水深的方程式 gB
6.6 试分析并定性绘出图中三种底坡变化情况时，上下游渠道水面线的形式。已知上下游渠道断面形状，尺寸及粗糙系数均相同并为长直棱柱体明渠。
6.14 如图所示矩形渠道设置一潜坎，试证明缓流通过潜坎时，水面要下降，而急流通过潜坎时，水面要上升（不计损失）。
dQ dA 2g
2g (1)
dh dh
(Es h) A 2 Es h
由 dA B dQ B
dh
dh
2g (Es h)
2g A 2 Es h
令 dQ 0 B dh
2g
(Es
h)
2g A 0 2 Es h
A 2B Q2
Q2B
B(Es h) 2 A (h 2gA2 h) 1 gA3 1
6-4 证明：当断面比能Es以及渠道断面形式、尺寸(b、m)一定时，最大流量相应的水深是临界水深。
思路：
Es
h
Q2 2gA 2
Q
A
2g
(Es
h)
其中：A (b mh)h
由 dQ 0，此时h对应的Q最大。 dh
证明：Es
h
Q2 2gA 2
Q
A
2g (Es h)
当Es、b、m一定时，Q只与h有关。

明渠均匀流

上二式中消去db/dh后，解得
b m 2( 1 m 2 m) f ( m) h

不难证明，矩形或梯形水力最优断面实际上是半圆的外切多边形断面。
在一般土渠中，边坡系数m>l，则按水力最优断面求得宽深比<1；
即梯形水力最佳断面通常都是窄而深的断面。这种断面虽
然工程量最小，但不便于施工及维护；所以，无衬护的大型土渠不宜采用梯形水力最优断面。
明渠的几何特性
1.明渠的底坡
明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡，以i表示。
i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦，即i=sinθ。按底坡分类：顺坡（或正坡）明渠平坡明渠逆坡（或负坡）明渠
水面线底坡线
θ
顺坡、正坡 i > 0 平坡 i = 0 逆坡、负坡i < 0
在平坡渠道中i=0，流段重力在顺流方向分力Gsinθ=O;在逆坡渠道中，流段重力的分力Gsinθ与摩阻力Ff的方向一致；因而都不可能满足Gsinθ=Ff
i=J
5 3 1
1 12 2 3 1 A i 2 K i Q AC Ri Ai R 2 n n 3
从经济的观点来说，总是希望所选定的横断面形状和尺寸在通过已知流量时面积最小，或者是过水面积一定时通过的流量最大。符合这种条件的断面，其工程量最小，过水能力最强，称为水力最优
断面。水力最优断面是湿周最小的断面。
产生均匀流的条件： 1．水流应为恒定流。因为在明渠非恒定流中必然伴随着波浪的产生，流线不可能是平行直线。 2．流量应沿程不变，即无支流的汇入或分出。 3．渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，底坡、粗糙系数沿程不变。 4．渠道中无闸、坝或趺水等建筑物的局部干扰。
明渠均匀流的计算公式The Formula of uniform flow

明渠恒定均匀流和非均匀流概述

明渠恒定均匀流和非均匀流概述1.1 明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响，因此在水力学中把明渠分为以下类型。

(1) 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠道，否则为非棱柱形渠道。

前者的过水断面面积A 仅随水深h 变化，即A =f (h )；后者的过水断面面积不仅随水深变化，而且还随着各断面的沿程位置而变化。

(2) 顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差，称为明渠的底坡，用i 表示。

图4-1如图4-1(a)，1-1和2-2两断面间，渠底线长度为Δs ，该两断面间渠底高程差为(a 1-a 2)=Δa ，渠底线与水平线的夹角为θ，则底坡i 为θsin 21=∆∆=∆-=sa s a a i (4-1) 当渠底坡较小时，例如θ＜6°时，可近似认为Δs ≈Δl ，则式（4-1）变为 θtan =∆∆≈∆∆=la s a i （4-2）所以，在上述情况下，过水断面可以看作铅垂平面，水深h 可沿铅垂线方向量取。

明渠底坡可能有三种情况(如图4-2)。

渠底高程沿流程下降的，称为顺坡 (或正坡)，规定i ＞0；渠底高程沿流程保持水平的，称为平坡，i =0；渠底高程沿流程上升的，称为逆坡 (或负坡)，规定i ＜0。

明渠的横断面可以有各种各样的形状。

天然河道的横断面，通常为不规则断面。

人工渠道的横断面，可以根据要求，采用梯形、圆形、矩形等各种规则断面。

图4-21.2 明渠均匀流的特征和形成条件1.2.1明渠均匀流的特征明渠均匀流有下列特性：(1) 过水断面的形状和尺寸、流速分布、水深，沿流程都不变；(2) 总水头线、测压管水头线(在明渠水流中，就是水面线)和渠底线三者为相互平行的直线(图4-1a)，因而它们的坡度相等，即J=J p=i(4-3)1.2.2明渠均匀流的形成条件对明渠恒定均匀流，图4-1（b)，取1-1、2-2断面之间的水体作为研究对象，分析这块水体上的受力，并沿流向写动力平衡方程为P1-P2+G sinθ-T=0式中P1和P2为1-1和2-2过水断面的动水压力，G为Δs流段水体重量，T为边壁(包括岸壁和渠底)阻力。

明渠恒定流(均匀流与非均匀流)

水力学教案第六章明槽恒定流动【教学基本要求】1、了解明槽水流的分类与特征,了解棱柱体渠道的概念,掌握明槽底坡的概念与梯形断面明渠的几何特征与水力要素。

2、了解明槽均匀流的特点与形成条件,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、理解水力最佳断面与允许流速的概念,掌握水力最佳断面的条件与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与计算方法,能进行过流能力与正常水深的计算,能设计渠道的断面尺寸。

5、掌握明渠水流三种流态(急流、缓流、临界流)的运动特征与判别明渠水流流态的方法,理解佛汝德数Fr的物理意义。

6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念与特性,掌握矩形断面明渠临界水深h k的计算公式与其它形状断面临界水深的计算方法。

7、了解水跃与水跌现象,掌握共轭水深的计算,特别就是矩形断明渠面共轭水深计算。

8、能进行水跃能量损失与水跃长度的计算。

9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区与变化规律,能正确进行水面线定性分析,了解水面线衔接的控制条件。

10、能进行水面线定量计算。

11、了解缓流弯道水流的运动特征。

【内容提要与教学重点】这一章就是工程水力学部分内容最丰富也就是实际应用最广泛的一章。

本章有4个重点:明渠均匀流水力计算;明渠水流三种流态的判别;明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析与计算,这部分也就是本章的难点;水跃的特性与共轭水深计算。

学习中应围绕这4个重点,掌握相关的基本概念与计算公式。

明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由表面,自由表面能随上下游的水流条件与渠道断面周界形状的变化而上下变动,相应的水流运动要素也发生变化,形成了不同的水面形态。

6、1 明槽与明槽水流的几何特征与分类（1）明槽水流的分类明槽恒定均匀流明槽恒定非均匀流(包括渐变流与急变流)明槽非恒定流明槽非恒定流一定就是非均匀流。

明槽非均匀流根据其流线不平行与弯曲的程度,又可以分为渐变流与急变流。

6明渠均匀流

R A (b mh)h b 2h 1 m 2
土基上的渠
水力半径

表梯形渠道边坡系数m
土壤种类
粉砂细沙
边坡系数 m
3.0~5.3 2.5~3.5
砂壤土
粘砂壤土
2.0~2.5
1.5~2.0
粘土，密实黄土
卵石和砌石半岩性的抗水的土壤风化的岩石未风化的岩石
1.25~1.5
1.25~1.5 0.5~1.25ห้องสมุดไป่ตู้0.25~0.5 0.00~0.25
77.4－67.0 =10.4 m3/s
3.2
m =1.5 b
已知 Q、i、n，b、m，求 h
将 A (b mh)h
b 2h 1 m
2
R
A

(b mh)h b 2h 1 m 2
代入 Q AC Ri f m, b, h0 , i, n 并整理得
明渠均匀流特性
相应水力计算
明渠水力学在工程中的应用
明渠断面形状、尺寸、底坡对水流运动有重要影响。
因此，要了解明渠水流运动的规律，首先必须了解
明渠类型及其水力要素等。
6.1.1 明渠底坡
沿水流方向单位渠道长度，对应的渠底高程降落值，其表示渠底纵向倾斜程度，以符号i 表示。
z i sin l
Q AC Ri K i
由均匀流公式
Q AC Ri f m, b, h0 , i, n
式中，有6个变量（含Q）
Q AC Ri f m, b, h0 , i, n
式中，共有六个变量（含Q）边坡系数 m和糙率 n 一般根据土质、或衬砌材料用经验法确定水力计算任务给定Q、b、h、i 中三个，求解另一个

明渠恒定流的流动类型及其判别

路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
•均匀流的解法•1.直接解法
•（1）当其他量已知，求流量或底坡或粗糙系数时，可直接由均匀流渠道中的流量表达式求解。
•（2）宽矩形断面渠道求正常水深h0。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
•（3）当已知渠道的宽深比时，求渠中的正常水深
。•对梯形断面渠道：
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•（2）已知底坡、渠床材料及要求通过的流量，求应有的过水断面参数；
•（3）已知要求通过的流量、过水断面参数及渠底材料，要求确定底坡。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
•2.边坡系数与底坡的确定
• 渠道的边坡系数由渠床土壤的性质确定。
• 水力学角度认为底坡应该尽量小，这样沿程水头损失小。
• 施工角度要求底坡尽量与地形坡度一致，这样易于使挖方与填方平衡，降低施工造价。
•查表7.1.4
•由表中查得的流速需乘以系数k
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
•4.综合粗糙系 •数渠道断面由三种护面组成：混凝土，光滑岩面和
粗糙岩面。设它们的粗糙系数和湿周分别为n1， χ1；n2，χ2；n3，χ3，则整个断面的综合粗糙系数按下面计算
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
•5.复式断面
•过水断面面积
•湿周
•水力半径
•水面宽度
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
•管中最大流量和最大流速并不发生在满管时。
•
•例7.1.1 有一浆砌石护面的梯形断面渠道,边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.025,底坡i=0.0004, 底宽b=5m,渠中通过的流量Q=8m3/s,该渠道的不冲允许流速v`=3m/s,试求:

水力学试题(判断题)

判断题正确的划“√”，错误的划“×”绪论1、在连续介质假设的条件下，液体中各种物理量的变化是连续的。

（）2、在连续介质假设的条件下，可以不研究液体分子的运动。

（）3、水力学是研究液体机械运动和分子运动规律的学科。

（）4、流速梯度du/dy 发生变化时，动力黏度不变的液体均属于牛顿液体。

（）5、流体质点指流体内的固体颗粒。

（）6、通常情况下研究液体运动时，可不考虑表面张力的影响。

（）7、对于不可压缩液体，动力黏度相等的液体，其运动黏度也相等。

（）8、体积模量K 值越大，液体越容易压缩。

（）9、液体的内摩擦力与液体的速度呈正比。

（）10、牛顿液体是液体的切应力与剪切变形速度呈线性关系的液体。

（）11、水力学的研究对象只能是水。

（）12、无论是静止的还是运动的液体，都不存在切力。

（）13、牛顿内摩擦定律只适用于管道中的层流。

（）14、凡是切应力与剪切变形速度不呈线性关系的液体，都是非牛顿液体。

（）15、液体表面的曲率半径越大，表面张力的影响越大。

（）16、在常温、常压下水的运动黏度比空气的运动黏度大。

（）17、两种不同种类的液体，只要流速梯度相等，它们的切应力也相等。

（）18、由于液体的质点很小，因此它实际上是指液体的分子。

（）19、在水力学问题的计算中都必须考虑液体的压缩性。

（）20、15℃时水的粘性比20℃时水的粘性大。

（）21、牛顿液体的内摩擦力只与流速梯度和接触面面积有关。

（）22、牛顿液体可以承受微小的切力而不变形。

（）23、水流在边壁处的流速为零，因此该处的流速梯度为零。

（）24、牛顿内摩擦定律表明液体的切应力与剪切变形的大小成正比。

（）25、液体切应力是液体的一种单位面积的面积力。

（）26、理想液体是自然界中存在的一种不具有粘性的液体。

（）27、液体和气体的运动黏度均随温度的升高而减小。

（）28、国际单位制中，1个标准大气压下，水温4℃时，水的密度为3/1000m kg =ρ。

水力学系统讲义第八章-明渠流动

此式表明，明渠均匀流是水流的重力在流动方向上的分量与水流的摩擦阻力达到平衡时的一种流动
14
1
2
P1
h1
G sin
1
G
h2
Z
T2
P2
以2-2断面渠底水平面为基准面，对1-1和2-2断面列能量
方程：
h1

z

1v12
2g
h2
2v22
2g
hw
z

hw

z l

hw l

i

Q

1 n
AR 2 / 3i1/ 2

1 n
A5/3
2/3
i1/ 2
说明：
1）具有水力最优断面的明渠均匀流，当i，n，A给定时，
水力半径R 最大，即湿周最小的断面能通过最大的流量。
2） i，n，A给定时，湿周最小的断面是圆形断面，
即圆管为水力最优断面。
21
几何关系：
A (b mh)h

J
从能量角度看，在明渠均匀流动中，对单位重量的水体，
重力所做的功正好等于阻力所做的功。即，水体的动能
沿程不变，势能沿程减少，表现为水面沿程下降，势能
减少值正好等于水流因克服阻力而消耗的能量
15
明渠均匀流的形成条件
明渠水流恒定，沿程无水流的汇入、汇出，即流量沿程不变
渠道为长直的棱柱形顺坡渠道底坡、粗糙系数沿程不变渠道沿程没有建筑物或障碍物的局部干扰
8
渠道工程
引水工程
二滩泄洪洞
输水涵洞施工
小河沟渡槽
土耳其渡槽
9
明渠的底坡
渠底线（底坡线、河底线）：沿渠道中心所作的铅垂面与渠底的交线

第八章(打印A4)

第八章明渠均匀流具有自由表面水流的渠道称为明渠。

明渠水流亦分为恒定流与非恒定流；在恒定流中也有均匀流与非均匀流之分；在恒定非均匀流中也存在着渐变流与急变流。

一.明渠的底坡：渠道底坡：sz z θi ∆-==21sin 对于土渠，一般底坡都很小，θ亦很小，有：lz z θθi ∆-=≈=21tan sin 顺坡渠道：i>o ；平坡渠道i=0；逆坡渠道i<0。

二.棱柱形渠道：断面形状和尺寸沿程不变的长直渠道称为棱柱形渠道。

棱柱形渠道的特征：A=f(h) 非棱柱形渠道的特征：A=f(h,s)三.明渠的横断面：1.天然河道断面形状：多为“V”形、“U”形或复式断面。

2.人工渠道断面形状：有梯形、矩形、圆形及复式断面。

3.梯形断面的水力要素：底宽b 、水深h 、边坡系数m = cot α。

2212)(12)(2m h b hm h b χA R m h b χhm h b A m h b B +++==++=+=+=水力半径：湿周：过流断面面积：水面宽：§8-1 明渠均匀流的水力学特征一.明渠均匀流的特征及其发生条件：1.明渠均匀流的特征：①. 等速流动（断面平均流速沿程不变，断面流速分布沿程不变）。

②.等深流动（水深h 沿程不变）。

③.水力坡度J 、水面坡度J P 和渠道底坡i 彼此相等。

即： J = J P = i 。

2.明渠均匀流的发生条件：明渠均匀流只能发生在i 、n 和Q 都不变的长直的棱柱形顺坡渠道中，且渠道上没有修建任何水工建筑物。

实际工程中，可将长直的渠道、运河及没有障碍的天然顺直河段中的流动近似看成明渠均匀流。

二.谢才公式的推导：。

为，则单位面积上的阻力设流动处于阻力平方区2kV 如图，1—1及2—2断面间的水体的总阻力为： s χkV F ∆=2阻si A γθG ∆=sin 流动的推动力为：明渠均匀流条件）阻(sin θG F = si A γs χkV ∆=∆∴2RJ C Ri C i χAk γV ===∴§8-2 明渠均匀流的基本计算公式正常水深(h 0 )：发生明渠均匀流时，渠道中的水深称为正常水深。

明渠恒定流(均匀流与非均匀流)

水力学教案第六章明槽恒定流动【教学基本要求】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。

5、掌握明渠水流三种流态（急流、缓流、临界流）的运动特征和判别明渠水流流态的方法，理解佛汝德数Fr的物理意义。

6、理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性，掌握矩形断面明渠临界水深h k 的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法。

7、了解水跃和水跌现象，掌握共轭水深的计算，特别是矩形断明渠面共轭水深计算。

8、能进行水跃能量损失和水跃长度的计算。

9、掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律，能正确进行水面线定性分析，了解水面线衔接的控制条件。

10、能进行水面线定量计算。

11、了解缓流弯道水流的运动特征。

【内容提要和教学重点】这一章是工程水力学部分内容最丰富也是实际应用最广泛的一章。

本章有4个重点：明渠均匀流水力计算；明渠水流三种流态的判别；明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算，这部分也是本章的难点；水跃的特性和共轭水深计算。

学习中应围绕这4个重点，掌握相关的基本概念和计算公式。

明渠水流的复杂性在于有一个不受边界约束的自由表面，自由表面能随上下游的水流条件和渠道断面周界形状的变化而上下变动，相应的水流运动要素也发生变化，形成了不同的水面形态。

6.1 明槽和明槽水流的几何特征和分类（1）明槽水流的分类明槽恒定均匀流明槽恒定非均匀流（包括渐变流和急变流）明槽非恒定流明槽非恒定流一定是非均匀流。

明槽非均匀流根据其流线不平行和弯曲的程度，又可以分为渐变流和急变流。

水力学明渠恒定均匀流

关。
将b 2( 1 m2 m)h代入有
R A (b mh)h h
b 2h 1 m2 2
即梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。矩形断面可以看成为 m = 0 的梯形断面。此时结论同样成立。并有b=2h
14
梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。矩形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。
nQ( 2 1 m2 )2/3 3/8
h
( m)5/3i1/ 2
当为水力最佳断面时:
2( 1 m2 m) 2( 11.252 1.25) 0.702
可得
hm
0.025 (2m3 / s)(0.702 2 11.252
(0.702 1.25)5/3 0.00021/ 2
)2/3
i
明渠渠底纵向倾斜的程度
i=
i= z
l
高差
=sinθ≈tanθ l为渠，Δz为
(a)顺（正）坡明渠 (b)平坡明渠 (c) 逆坡明渠
断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲渠道，称为棱柱体渠道；反之,称为非棱柱体渠道。
5.2 明渠均匀流特性及其产生条件一.明渠均匀流的特性：
1.均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。 2.过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。 3.总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。
已知不淤流速:
0.40m / s
满足不冲刷不淤积的条件。
5.5 渠道水力计算类型
对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系
Q AC Ri f (m,b, h,i, n)
一般情况下，边坡系数m及粗糙系数n是根据渠道护面材料的种类，用经验方法来确定。因此，工程实践中所提出的明渠均匀流的水力计算问题，主要是b、h、i、Q四个量之间的关系计算，有下列几种类型：

水力学第八章明渠恒定非均匀流

第八章 明渠流

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第八章 均匀流动及其有关概念

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明渠恒定非均匀流

明渠均匀流

明渠恒定均匀流和非均匀流概述

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6明渠均匀流

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