第六章-明渠均匀流

明渠均匀流第六章明渠均匀流属于明渠水流的一种。明渠水流恒定流非恒定流非均匀流均匀流流线为相互平行的直线表面相对压强为零，为无压流运动要素不随时间变化第一节概述第二节明渠均匀流的计算公式第三节明渠水力最优断面和允许流速第四节明渠均匀流水力计算的基本问题第五节无压圆管均匀流的水力计算第六节复式断面渠道的水力计算本章纲要:垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁的交线组成的断面主槽滩地梯形断面河道断面矩形断面2.反映断面的形状特征值称为断面水力要素。bh1αmB底宽水深边坡系数水面宽2Bbmh过水断面面积()Abmhh湿周221bhm水力半径2()R21Abmhhbhm断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道，称为棱柱体渠道。断面形状、尺寸或底坡沿程改变的渠道，称为非棱柱体渠道。棱柱体棱柱体非棱柱体22331—12—23—311第一节概述一、基本概念1.明渠的横断面3.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。底坡线水面线底坡线θi0顺坡、正坡i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦，即i=sinθ。i=0平坡i0逆坡、负坡顺坡（或正坡）明渠按底坡分类：平坡明渠逆坡（或负坡）明渠第一节概述基本概念通常i0.01，可以采用近似处理：1.过水断面可由水流中所取的铅垂断面代替；2.两断面间的距离可由水平投影长度来代替。明渠总结明渠沿程断面形状尺寸是否变化非棱柱形渠道棱柱形渠道)(hf)s,(hf底坡i=sinθ顺坡平坡逆坡i0i=0i0过水断面面积只与水深有关过水断面面积与水深、位置有关断面形状多样第一节概述基本概念第一节概述二、明渠均匀流的特征水力特征几何角度运动学角度能量角度质点做等速直线运动（均匀流）力学角度概述二、明渠均匀流的特征几何特征gv2211总水头线水面线(侧压管水头)底面坡度几何特征：三线平行v概述1z二、明渠均匀流的特征fhgvzgvz2222222111能量特征：对于单位重量液体，重力功=阻力功fhz11222zz能量特征00根据能量关系：第一节概述三、明渠均匀流产生的条件1、水流应为恒定流。4、渠中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。2、流量沿程不变，即无支流的汇入或分出。3、渠道必须是长而直的棱柱形顺坡明渠，且i、n沿程不变。严格满足以上条件的渠道不存在，作近似处理。第一节概述1、顺直棱柱形渠道中的恒定流：当流量沿程不变时，只要渠道有足够的长度，在离开渠道进口、出口或建筑物一定距离的渠段，实际上常按均匀流处理。说明：2、天然河道：因其断面形状尺寸、底坡、粗糙系数一般均沿程改变，所以不会产生均匀流。但对于较为顺直、整齐的河段，当其余条件比较接近时，也常按均匀流公式作近似计算。第二节明渠均匀流的基本计算公式谢才公式vQRiCv基本计算公式连续性方程RiCQRCK令iKQ流量模数：当断面形状尺寸、n值一定时，K=f(h)；均匀流水深叫正常水深，用h0表示。断面面积(m2)注：通常谈到的某一渠道的输水或排水能力时，指的是在一定正常水深h0时所通过的流量Q。第二节明渠均匀流的基本计算公式R谢才公式RiCv断面平均流速(m/s)谢才系数(m1/2/s)曼宁公式水力半径(m)RJCvJ=i谢才公式巴氏公式611RncyRnc1适用范围:R0.5m且n0.02适用范围:0.1m≤R≤3m且0.01ln0.04n：粗糙系数第二节明渠均匀流的计算公式1.若n值选的偏小，计算所得断面也偏小，易发生漫溢。粗糙系数n粗糙系数n综合反映渠道壁面（包括渠底）对水流的阻力作用。2.若n值过大，不仅造成浪费还会因实际流速过大而造成冲刷。第三节明渠水力最优断面和允许流速一、水力最优断面1.定义2.条件3/22/13/521321niiRnRiCQ当、i、n一定，必最小！当i、n不变时，在断面积相等的各种断面形状中通过流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。要使Q最大。问题实质：3.应用在明渠设计时：水力最优条件只是应考虑的因素之一。实际中必须依据造价、施工技术、运转要求和养护等各方面条件综合考虑和比较。第三节明渠水力最优断面和允许流速一.水力最优断面1、梯形水力最优断面计算问题本质？确定适当的水深h和渠底宽b，使断面流量Q最大。欲使断面流量Q最大，即在面积ω一定时，湿周最小。3/22/13/5niQ第三节明渠水力最优断面和允许流速一.水力最优断面212mhb边坡系数m水深h渠底宽bm=cota梯形截面湿周计算hmhb)(m由边坡稳定性确定，计算中m一定断面面积湿周bh1αmB1、梯形水力最优断面计算断面参数第三节明渠水力最优断面和允许流速212mhmhh一.水力最优断面212mhb断面参数hmhb)(最小0022dhddhd)1(2)(2mmhb最优特殊地，矩形断面：m=0；即b=h;bh1αmB1、梯形水力最优断面计算第三节明渠水力最优断面和允许流速二、允许流速渠中流速过大会造成冲刷，过小形成淤积。maxminvvvvmin：不淤允许流速。vmax的大小决定于土质情况，即土壤种类、颗粒大小和密实程度，或决定于渠道的衬砌材料，以及渠中流量等因素vmin：为了防止植物在渠道中滋生、淤泥或沙的沉积，渠道中断面平均流速分别不低于0.6m／s、0.2m／s或0.4m／s。vmax：不冲允许流速。第四节明渠均匀流水力计算的基本问题),,,,(inmhbfRiCQ一、验算渠道过流能力二、计算渠道底坡问题：已知b、h、m、n、i；求Q计算依据：计算类型：方法：问题：已知b、h、m、n、Q；求i方法：三、计算渠道断面尺寸问题：已知条件多样；求h，b方法图解法查图法解方程组直接代公式。直接代公式。第四节明渠均匀流水力计算的基本问题1、已知Q、h、m、n、i，求b(1)试算—图解法：绘制b~Q曲线。(2)查图法：2.67hnK先计算出，查附表得出相应的h/b值，从而确定底宽b。三、计算渠道断面尺寸b(m)Q(m3/s)0.0已知Q，Q已知b求根据曲线得出b。),,,,(inmhbfRiCQ第四节明渠均匀流水力计算的基本问题2、已知Q、b、m、n、i，求h(1)试算—图解法：绘制h~Q曲线。(2)查图法：2.67hnK先计算出，查附表得出相应的h/b值，从而确定底宽h。三、计算渠道断面尺寸h(m)Q(m3/s)0.0已知Q，Q已知h求根据曲线得出h。),,,,(inmhbfRiCQ第四节明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸3、已知Q、m、n、i、b/h，求b、h。(1)试算—图解法：绘制b~Q曲线或h~Q曲线。已知Q，根据曲线得出h或b(2)查图法：【注】对于小型渠道，一般按水力最优设计，即b/h已知：)1(2/2mmhb第四节明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸4、已知Q、m、n、i、vmax求b、h。maxvQRiCQ212)(mhbhmhb求解b和h，舍掉一组不合理的解R联立：计算方法：解方程组例：某梯形断面渠道,已知流量Q=3m3/s，边坡系数m=1.0，底坡i=0.0049，粗糙系数n=0.0225，底宽b=1m。求：均匀流动时的正常水深h0（简称正常水深h0）。解：根据谢才—满宁公式，并代入梯形断面水力要素，有21322322112)()(11imhbhmhbhmhbnRAinRiACQ设h=0.5m，0.75m，1.0m，计算相应的Q值如下表h(m)0.50.751.0Q(m3/s)1.072.294.03h(m)Q(m3/s)1.02.03.00.00.00.50.750.251.0从曲线上查得：当Q=3m3/s时，h=0.86m。第四节明渠均匀流水力计算的基本问题三、计算渠道断面尺寸第五节无压圆管均匀流的水力计算无压管道是指不满流的长管道，如下水管道。考虑到水力最优条件，无压管道常采用圆形的过水断面，在流量比较大时也采用非圆形的断面。下面仅讨论圆形断面的情况。第五节无压圆管均匀流的水力计算一、水力要素过水断面：)sin(82d水力半径：)sin1(4dR流速：idCRiCv)sin1(2湿周：2ddhBr流量：2132125)sin(16idCRiCQ充满度：4sin2dh第五节无压圆管均匀流的水力计算二、水流特征无压短管水流水流现象计算方法宽顶堰理论沿程水头损失比局部水头损失小得多1.无压短圆管水流第五节无压圆管均匀流的水力计算二、水流特征2、无压长圆管流无压长圆管水流直径不变顺直管道：相当于明渠均匀流流量：2132125)sin(16idCRiCQα=h/d=0.94，Q/Q0=1.087，达到最大值α=h/d=0.81，v/v0=1.160，达到最大值v0和Q0分别是满流时的流速和流量。第五节无压圆管均匀流的水力计算三、无压管道的计算问题),,,(indfRiCn、公式Q=，一般预先确定。1、已知d、、n、i，求Q、n、Q，求i。2、已知d、可直接求解，具体应用时注意设计规范。、n、i、Q，求d。3、已知主要采用方法：断面分区计算法h′hoQ132ⅠⅡⅢQACRiQACRiQACRiiQQ第六节复式断面渠道的水力计算再见!返回