流体力学辅导材料7 第七章 明渠恒定流 【教学基本要求】 1

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。

7、理解断面单位能量s E 、临界水深K h 、临界底坡K i 等概念。

8、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。

二. 明渠的分类:

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不变的渠道称为棱柱型渠道；反之，断面形状和尺寸沿程变化的渠道叫非棱柱型渠道。

② 按底坡划分为顺坡渠道、平坡渠道、逆坡渠道。

因为渠道的底坡一般都很小，所以，底坡x l z i ∆=≈αtan ③ 按明渠横断面形状分为梯形断面渠道、矩形断面渠道、复式断面渠道……。

三.明渠恒定均匀流的水力特征:

① 底坡线、水面线、总水头线（水力坡度线）三线平行，即J J i p ==

② 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n 不变。

③ 必须是底坡0>i 。

五.明渠均匀流的基本计算公式：

谢齐公式: Ri C v = 式中C 为谢齐系数

流量公式： Ri AC Q =

流量公式：i K Q = 式中K 为流量模数R AC K =

满宁公式：611R n

C = 式中n 为粗糙系数，R 为水力半径。 巴甫洛夫斯基公式： y R n

C 1= )1.0(75.013.05.2---=n R n y

六.水力最优断面与允许流速

水力最优断面是指在i 、n 、A 一定的前提下，渠道输水能力最大的那种断面形状的渠道断面。 对于梯形渠道, )1(22m m h -+=β

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。

允许流速是指保证渠道安全运行的流速，免遭冲刷的最大允许流速称

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i K Q = 。

(2) 渠道底坡的设计

可直接用公式 22

K

Q i =进行水力计算。 (3) 梯形渠道断面尺寸的设计

对于梯形渠道断面，面积：h mh b A )(+=，湿周：212m h b ++=χ， 水力半径：χA R =，谢才系数：611R n C =， 根据流量公式Ri AC Q =，所以，),,,,(h b i n m f Q =，即该方程有6个物理量，一般情况下，Q 由水文资料确定，边坡系数m 及粗糙系数n 由渠道建筑材料或土壤地质条件确定，i 由地形确定，这样6个量就仅有2个未知，一般先确定底宽b 或水深h ，再求剩下的那个物理量。

注意：计算时无解析解，要用图解法或试算图解法。

八.明渠恒定非均匀流主要水力特征及其产生的条件：

（1） 明渠恒定非均匀流主要水力特征:

① 过水断面面积A ，水深h ，沿程改变。即)(),(s f A s f h ==

②底坡线，水面线，总线头线三线不再平行，即p J J i ≠≠，

（2）明渠恒定非均匀流产生的条件：

①流量恒定。②渠道断面形状、尺寸沿程改变。或虽是长直的棱柱形渠道，但底坡i 改变。

九.缓流、急流、临界流及其特别标准

缓流、急流、临界流是水流的三种流态，可以用四种方法判别，

①干扰波坡速: 波速C=m gh ，v =C 为临界流，v c 为急

流；