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当前位置:首页 > 建筑/环境 > 综合/其它 > 第123讲流体力学明渠恒定均匀流渗流2010年新版
环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6011页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多需要课件请联系QQ149420357或547343758第六节明渠恒定均匀流天然河道和输水渠、排水沟、无压涵洞等人工渠道以及不满流管道中的水流称为明渠水流。它们都具有自由表面,表面上各点压强一般都等于大气压强,相对压强为零。所以明渠水流又称为无压流动。与有压管流是不同的。明渠水流的运动要素不随时间变化的称为明渠恒定流;沿流线不变化的称为明渠均匀流,反之则称为明渠非恒定流和非均匀流。明渠水流在渠道中流动,受到渠道横断面和渠道底坡的影响。渠道横断面的形状,尺寸沿程不变的称为棱柱形渠道,棱柱形渠道中水流的过水断面的大小只随水深变化。横断面的形状或尺寸沿程有改变的则称为非棱柱形渠道。渠道底部高程沿水流方向的变化用底坡表示。如图6—6—1(a)所示:通常θ很小,所以习惯上常采用两断面间的水平距离来代替s,则:i=tgθ(6—6—2)如图6-6-1(a)i0称为顺坡渠道;图6-6-1(b)i=0称为平坡渠道;图6-6-1(c)i0称为逆坡渠道。由于i一般不大,与水流垂直的过水断面一般均近似用铅垂断面来代替。一、明渠均匀流的形成条件和水力特征环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6012页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多明渠水流在一般情况下常以非均匀流出现,只有在特殊情况下,才会出现均匀流。以下是形成明渠均匀流的条件:长而直的棱柱形渠道;底坡i0,且保持不变;渠道的粗糙情况沿程没有变化;渠中水流为恒定流,且沿程流量不变。只有满足以上全部条件,才会形成明渠均匀流。明渠均匀流流线为平行直线,过水断面的形状、尺寸、水深、流量、断面平均流速、断面上的流速分布沿程均不变。所以水面线与渠底平行,总水头线与水面线平行(水面线即测压管水头线),水力坡度与测压管坡度与底坡均相等。即J=Jp=i(6—6—3)水力坡度/表示单位长度上的损失,底坡i表示单位长度上液体位能的减少。所以明渠均匀流是在特定条件下,作用在液流上的重力和阻力相平衡的产物。它的计算特别简单,因此虽然实际工程中常遇到明渠非均匀流,但在长直的顺坡人工沟渠中,取最大流量来校核渠道的通过能力,或按最大流量来设计断面时,按均匀流计算可以很方便地得到足够正确的结果。二、明渠均匀流的水力计算明渠均匀流水力计算适用连续性方程和谢才公式:但在明渠均匀流中,J=i所以式(6-6-4)和式(6-6-5)为明渠均匀流基本公式。明渠水流多属紊流粗糙区,所以式中谢才系数C通常按曼宁公式或巴甫洛夫斯基公式来确定。见式(6-4-23)和式(6-4-24)。[例6-6-1]梯形断面渠道,底宽b=3m,边坡系数m=2.0(见图6-6-2),渠道底坡i=0.0006,粗糙系数n=0.025,渠中水流作均匀流,水深为2m,求通过的流量Q。环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6013页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多[解]对于梯形断面,过水断面面积湿周水力半径用式(6—6—5)由式(6-6-5)可知,渠道横断面、底坡、粗糙系数一定时,渠中水流看作均匀流,其通过流量与水深为一一对应的关系。而非均匀流则不然,通过同一流量而渠中水深是变化的。明渠均匀流水深与底坡也有密切关系:当流量和渠道其他条件一定时,底坡愈陡均匀流水深愈小。因此在棱柱形顺坡长渠道中,如果底坡有改变,则在改变前后的那段渠道中将发生非均匀流。渠道作均匀流的水深被称为正常水深,用丸。表示;在研究非均匀流各个变化的水深时,正常水深将起参照的作用。根据式(6-6-5),可以在其他条件已知情况下,求出流量、底坡、水深或底宽。只是求水深或底宽时,由于解方程的困难,通常可用试算方法或查图来确定;例6-6-2是用试算方法的例子。查图则可另行参考其他水力计算手册。[例6-6-2]矩形棱柱形钢筋混凝土渠道,底坡i=0.0008,底宽b=1.6m,通过流量Q=1.5m3/s。求均匀流时水深h0是多少?[解]钢筋混凝土壁面,查表6-4-2,n=0.013环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6014页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多由式(6-6-6)列表试算如下:所以三、水力最优断面根据式(6-6-6)有通常底坡i由地形条件确定,粗糙系数n由渠道表面材料性质决定。于是在渠道过水断面A一定时(断面大小决定了工程量的大小,A一定表示工程量一定),要使流量Q最大,就必须使水力半径R最大。水力半径R为过水断面面积A和湿周χ的比值。A既一定,就必须使湿周χ为最小,才能得到最大的流量。这种湿周最小的断面,就称为水力最优断面。如果流量一定,则采用水力最优断面可使过水断面面积最小。当采用矩形断面时,若已知过水断面面积为A,则环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6015页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多所以水力最优断面b/h=2此时,当采用梯形断面时,若已知过水断面面积A,边坡系数m,则由要说明的是,水力最优断面只是从水力条件来考虑。而实际工程中还需综合考虑施工、运转、养护等因素选择最经济合理的断面。四、无压圆管均匀流的水力计算无压圆管指不满流的圆管。在排水工程中被广泛使用。对于长直的圆管,i0,粗糙系数保持沿程不变时,管中水流可以认为是明渠均匀流。见图6—6—3。直径为d,水深为h的圆形管道,其过水断面面积A、湿周χ和水力半径R计算公式如下:环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6016页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多无压圆管均匀流水力计算的基本公式仍是或为了避免繁琐的计算,可以利用图6-6-4来计算。图中纵坐标为充满度α=h/d,横坐标为无量纲流量Q/Q0和无量纲流速v/v0。Q0和v0为圆管满流时的流量和流速。Q与v则表示充满度h/d时的流量和流速。从图中可以看出,最大流量发生在h/d=0.95时,这时Q/Q0=1.087,因为这时的AR2/3最大;最大流速发生在h/d=0.81时,这时v/v0=1.16。因为这时的水力半径R最大,水深再加大时,过水断面面积虽有增加,但湿周增加得更快,使R反而减小。[例6-6-3]无压长涵管,直径d=1.5m,底坡i=0.002,粗糙系数n=0.014,流量Q=2.5m3/s,渠中水流为均匀流。求水深h0。[解]先求满管流时的Q0环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6017页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多查图6—6—4得所以第七节渗流一、概述流体在孔隙介质中的流动称为渗流,流体主要是水、石油、天然气等,孔隙介质是指土、岩石等各类的多孔介质和裂隙介质。在土建工程中,渗流主要是指水在地表以下土和岩层中的流动,所以渗流又称地下水流动。渗流理论除了应用于水利、石油、地质等部门外,土建方面有:地下水是给水的水源之一,它涉及到水井涌水量和集水廊道等设计和计算;在排灌工程中地下水的变动、渠道的渗漏及坝的稳定等问题;在建筑施工中需要确定围堰或基坑排水量和水位降低等问题。水在岩层和土孔隙中存在的状态有:汽态水、附着水、薄膜水、毛细水和重力水。重力水在介质中运动是受重力作用的结果。本节研究的对象是重力水的运动规律。地下水的运动除与水的物理性质有关外、岩土的特性对水的渗透性质有很大的影响。一般可将岩土分类为:(一)均质岩土渗透性质与渗流空间的位置无关。均质岩土又分成:(1)各向同性岩土,其渗透性质与渗流的方向无关,例如沙土。(2)各向异性岩土,渗透性质与渗流方向有关,例如黄土、沉积岩等。(二)非均质岩土渗透性质与渗流场空间点位置有关。下面讨论以均质各向同性岩土中的重力水的恒定流环球网校:视频授课+名师答疑+在线模考+内部资料,考试通过无忧!考试问吧,有问必答!音频、讲义网校免费提供,如有贩卖勿上当,免费咨询:400-678-3456转6018页造价工程师|监理工程师|咨询工程师|一级建造师|二级建造师|会计证|建筑师|安全工程师|会计职称|注册会计师|注册税务师|银行从业|证券从业|期货从业|经济师|报关员|外销员|执业药师|卫生职称|助理医师|职称英语|职称日语|职称计算机|雅思|公共英语|自考英语|新概念|BEC|托福|公务员|人力资源师|高考|中考|司法考试|更多二、渗流的达西定律达西在1856年对具有矩形横截面、中间装满砂的容器中水流进行实验研究(图6-7—1),得到渗流基本定律。如图6-7-1所示,H表示上下游水位差,则渗流的水力坡度为J=H/l从上可知,达西定律避免了渗流微观的流动现象而用宏观统计的平均概念。第一,它设想一虚构的渗流流速,包括土颗粒在内的整个断面上的流速,而
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