流体力学辅导材料7 第七章 明渠恒定流 教学基本要求 1教学总结

流体力学辅导材料7

第七章明渠恒定流

【教学基本要求】

1、理解明渠分类，掌握梯形渠道和矩形渠道过流断面的水力要素计算。

2、理解明渠恒定均匀流形成条件，,掌握明渠恒定均匀流水力特征。

3、掌握明渠恒定均匀流水力计算基本公式。

4、理解水力最优断面与允许流速的概念。

5、会进行明渠恒定均匀流水力计算（求流量、底坡、断面尺寸的确定等）。

6、理解明渠恒定非均匀流形成条件及明渠恒定非均匀流水力特征。

6、理解明渠水流的流态（缓流、临界流、急流），掌握其判别标准。

E、临界水深、临界底坡、理解断面单位能量等概念。7hi sKK8、了解弗劳德数Fr的物理意义，熟悉其数学表达式。

9、了解水跃、跌水现象和流动特征，知道水跃方程、共轭水深、水跃能量损失和跃

的计算。

10、知道明渠恒定非均匀渐变流微分方程。

11、会进行棱柱形渠道水面曲线定性分析。

12、会进行棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线计算（分段求和法）。

【学习重点】

1、明渠的分类，明渠恒定均匀流的水流特征，及其形成条件。

2、明渠恒定均匀流计算基本公式。

3、明渠断面形状、尺寸，底坡的设计及其水力计算。

4、缓流、急流、临界流及其判别标准。

5、断面单位能量、临界水深、临界底坡等概念。

6、跌水、水跃水流特征，共轭水深等概念。

7、棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线的变化规律及其定性分析。

8、棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线的计算（分段求和法）。

【内容提要和学习指导】

一.概述

明渠水流是指河道或渠道中水流，其自由表面为大气压，相对压强为0，亦称无压流。本章介绍明渠的分类，明渠水流特征，及其水力计算。本章分为两大部分：第一部分为明渠恒定均匀流。第二部分为明渠恒定非均匀流。这一章的基本概念较多，要多从物理意义上加以理解。有些水力计算比较繁，如梯形断面渠道的断面尺寸的设计、共轭水深、水面曲线的计算，要求掌握其计算方法，利用相关资料会进行计算。考核内容为基本概念和矩形断面渠道的水力计算。

:明渠的分类. 二

断面形状和尺寸沿程①按纵向几何条件分为棱柱型渠道与非棱柱型渠道。断面形状和尺寸沿程变化的渠道叫不变的渠道称为棱柱型渠道；反之，非棱柱型渠道。、逆坡渠道。平坡渠道②按底坡划分为顺坡渠道、

z???i tan?因为渠道的底坡一般都很小，所以，底坡l x按明渠横断面形状分为梯

形断面渠道、矩形断面渠道、复式断面渠③道……。

三.明渠恒定均匀流的水力特征:

i?J?J底坡线、水面线、总水头线（水力坡度线）三线平行，即①p②过流

断面面积、水深、断面平均流速及断面流速分布沿程不变。

④水体的重力沿水流方向的分力等于边界对水流的摩阻力。

四.明渠恒定均匀流形成的条件

①必须是恒定流.

②必须是长直的棱柱型渠道,且糙率不变。n③必须是底坡。0?i五.明渠均匀流的基本计算公式：

v?CRi式中: C为谢齐系数谢齐公式

流量公式：RiACQ?K?ACRiQ?K流量公式：流量模数K为式中11C?R式中n 为粗糙系数，R为水力半径。满宁公式：6n1y RC?巴甫洛夫斯基公式：

n y?2.5n?0.13?0.75R(n?0.1)

水力最优断面与允许流速.六

一定的前提下，渠道输水能力最大的那种水力最优断面是指在、n、A i2? , 断面形状的渠道断面。对于梯形渠道)?m(1?m?2h水力最优断面是按流体力学原理定

义的，在工程上不一定最优。一般小型渠道或有衬砌的渠道按水力最优断面设计。大中型渠道设计断面渠道断面尺寸, 要根据工程条件。免遭冲刷的最大允许流速称允许流速是指保证渠道安全运行的流速，之为不冲流速，不会造成渠道淤积的最小流速称之为不淤流速。七.明渠均匀流水力计算类型 (1) 校核输水能力的水力计算主要应用于新建或运行过的渠道，进行输水能力的校核，直接用公式

。iKQ?(2) 渠道底坡的设计2Q?i进行水力计算。可直接用公式2K

(3) 梯形渠道断面尺寸的设计2?湿周：，，对于梯形渠道断面，面积：

h)b?mhA?(m1??b?2h11A?R，谢才系数：，水力半径：RC?6?n个，即该方程有6根

据流量公式，所以，Ri?ACQ),h,(m,ni,bQ?f由渠道建由水文资料确定，边坡系数及

粗糙系数物理量，一般情况下，Q nm个未知，一2由地形确定，这样6个量就仅有筑材料或土壤地质条件确定，i，再求剩下的那个物理量。b或水深h般先确

定底宽计算时无解析解，要用图解法或试算图解法。注意：

明渠恒定非均匀流主要水力特征及其产生的条件：八.:

明渠恒定非均匀流主要水力特征）（1)(sA?f),h?f(s，水深A，沿程改变。即①过水断面面积h J?i?J，即，②底坡线，水面线，总线头线三线不再平行p）明渠恒定非均匀流产生的条件：（2或虽是长直的棱柱形渠道，②渠道断面形状、①流量恒定。尺寸沿程改变。i改变。但底坡缓流、急流、临界流及其特别标准.九是水流的三种流态，可以用四种方法判别，缓流、急流、临界流gh vvv>c为急为临界流，波速①干扰波坡速: C=，=C

v急〉1 1 缓流，F=，F=1临界流，②弗劳德数: 佛汝德数FF〈rrrr gh m流；h??hhhh?hh急流，③临界水深: 缓流，临界流，kkkk2q对于矩形渠

道,?h3K g i?ii?ii?i急流。④临界底坡i: 缓流，临界流，kkkk断面单位能量十.

2?v?E?h，是指所讨论的过水断面以渠底为基准面，单断面单位能量s g2位重是相对一个不同，E量液体所具有的能量。它与某过水断面总的机械能E 固定的基准断面单断面单位能量函数曲线表明，断面单位能量有极小值。面计算的。位能量的极h，该点把曲线分为二支，上支为缓流）小值对应的是临界流（临界水

深k hh?，）（k h?h。下支为急流（）k的概念：为什么要引入断面单位能量引入断面单位能量，目的是分析水面曲线的变化规律。对于总机械能2?vp dE?z?E?0。，因为沿程有能量损失，即恒小于?gg2dS渠底为基准面沿流程变而断面单位能量是以过水断面以渠底为基准面，2?v dEs??Eh，（均匀流）沿程可大可小，即=0断面单位能量化，所以，s g2dS dEdEsdE s的变化规律，就

可掌握水面<0（减能流）。研究>0（储能流），dsdSdS曲线的变化规律。另外，引入断面单位能量为了建立临界流概念，推导临界流方程。水跃与跌水十一.

缓流与急流两种流态的衔接产生急变流，从缓流过渡到急流形成跌水，从分为临界式按水跃发生的位置，急流过渡到缓流出现水跃，这是一种自然现象。水跃、