82水力学第六章 明渠非均匀流PPT课件

Fr < 1 Fr ＝ 1 Fr > 1
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Fr 是流态判别的准数
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6.1.2 明渠水流断面比能
h θ
z z0
O
O
h
O′
O′
z0
o
o
断面上单位重量液体所具有的总能量：
V2
V2
Ez 2g
z0
h 2g
断面比能：单位重量水体相对于过水 断面最低点处的水平面的总能量。
Es
h
V2 2g
非均匀 急变流
非均匀渐变流 水跃
水跌
明渠非均匀流的主要研究任务 （1）定性分析水面曲线； （2）定量计算水面曲线。
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6.1.1 明渠水流状态判别
将一块石子投入静水中，水面以投石 点为中心产生一系列同心圆，其以一定速 度离开中心向四周扩散。
将石子投入等速运动的水流中，则波 传播速度是水流流速与波速向量和。
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E s min
d dE hs d dhh2agQ 2A 21a gQ 2 3 A d dh A
B
dA
dh
d A B (水面宽)
dh
ddE hs 1agQ A23B1agvh21Fr
当 Fr 1,Es Esm in, 流态为临界流
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aQ 2 B gA3
量Q是水深h的函数。
h
h 0时，Q 0 hk h Es时, Q 0
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Q Qmax 21
例 有一浆砌块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，当渠中通过流量Q = 8m3/s时渠道 中的正常水深h0=1.40m，试用所学的方法判别该渠道中的流动类型。
Es
dh
当h<hk时，为急流
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6.1.2 明渠水流断面比能
h
hk
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临界流
Es min
缓流 d E s 0 dh
急流 d E s 0 dh
Es
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6.1.2 明渠水流断面比能
ES
h
Q2 2gA2
f
(h)
QA 2g(ES h)
对于同一渠道而言，若断面比能不变，则流
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V= vw 长安大学
V>vw 6
6.1.1 明渠水流状态判别
明渠流态
缓流 临界流 急流
v < vw v = vw v > vw
式中，v 为水流速度，vw 为微波（扰动波）波速
vw gA/B gh
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6.1.1 明渠水流状态判别
缓流：水流流速小，水势平稳，遇 到干扰，干扰的影响既能向下游传 播，又能向上游传播。
对上半支曲线：h>hk Es随着h的增大而增大
dEs0、 dh0ddE hs 0
Es
dEs 1Fr0Fr1 dh
当h>hk时，为缓流
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6.1.2 明渠水流断面比能
h
hk Es min
对下半支曲线：h<hk Es随着h的增大而减小
dEs0、 dh0ddE hs 0
dEs 1Fr0Fr1
h
Q2 2gA2
E和Es两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关 流量一定时，Es 是断面形状、尺寸的函数 当流量和断面形状一定时，Es 是水深h的函数
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6.1.2 明渠水流断面比能
h
Es ha2vg2 h2agQ A22 f(h)
K
hk
45°
o
Esmin
Es
渐近线1： h 0 ,A 0 ,E s 横坐标为渐近线 渐近线2：h ,A ,E s 坐标轴成45°直线
Fr
1
16
h
hk
Es min
Es
dEs 0: dh
dEs 1aQ2B1av2 1Fr
aQ2 gAk3
Bk
avk2 g Ak
avk2 ghk
1
Bk
F r 1 ,E s E sm in ,h h k
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6.1.2 明渠水流断面比能
h
hk Es min
表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关 系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流 时，重力对水流起主导作用。
弗劳德（Froude）数的物理意义：
V2 Fr V 2 2 2g
gh h
表示过水断面单位重量液体平均动能与平均 势能之比的二倍。Fr愈大，意味着水流的平 均动能所占的比例愈大。
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6.1.1 明渠水流状态判别
急流
在河流有些水面狭窄的 地方，底坡陡峻，且水流 湍急，当水流遇到石块等 障碍物时，便一跃而过， 石块顶上 掀起浪花，而上 游水面未受影响。
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6.1.1 明渠水流状态判别
定义弗劳德（Froude）数
[惯性力] [v2] [Fr] [重力] [gL]
（1）波速法
第六章 明渠非均匀流
整体 概述
一 请在这里输入您的主要叙述内容
二
请在这里输入您的主要 叙述内容
三 请在这里输入您的主要叙述内容
6.1 明渠水流状态判别 6.2 临界水深和临界坡度 6.3 渐变流水面曲线定性分析 6.4 水跃
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6.1.1 明渠水流状态判别
产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生 非均匀流动。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼 此不平行，水深沿程变化。
V
2 1
2g
h1 V1
总水头线 水面线
V
2 2
2g
h2 V2
主要研究的任务：就是分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙 高度、回水淹没的范围等。
为了区别，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。非均匀 流的水深以h表示。
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6.1.1 明渠水流状态判别
均匀流
非均匀渐变流
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6.1.1 明渠水流状态判别
V2 Fr 2 2g V 2
h gh
V2 Vw2
当 Fr 1 时,水流为缓流； 当 Fr 1 时,水流为临界流； 当 Fr 1 时,水流为急流；
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6.1.1 明渠水流状态判别
流态判断
缓 流： v < vw 临界流： v = vw 急 流： v > vw
急流：水流流速大，水势湍急，遇 到干扰，干扰的影响只能向下游传 播，而不能向上游传播。
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6.1.1 明渠水流状态判别
缓流
河流中有些水面宽阔的地方， 底坡平坦，水流缓慢，当水流遇 有障碍时（如桥墩、大石头等）， 上游水面普遍抬高，而阻碍物处 水位往下跌落。
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