6第六章-明渠恒定非均匀流

YangzhouUniv水力学全国水文水资源专业进修班熊亚南扬州大学水利科学与工程学院《水力学》YangzhouUniv第六章明渠恒定流§1明渠非均匀流的产生条件及特征产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上即产生非均匀流动。V1V2h1h2212Vg222Vg水面线总水头线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。第六章明渠恒定非均匀流《水力学》YangzhouUniv§1明渠水流的两种流态及其判别§3明渠恒定非均匀流的水流现象§4明渠恒定非均匀渐变流的水面曲线分析§2断面比能、临界水深及临界底坡YangzhouUniv1明渠水流的三种流态《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态水流流速小，水势平稳水流流速大，水势湍急缓流急流干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播干扰的影响只向下游传播，而不能向上游传播1.1明渠水流现象YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态干扰微波在静水中传播的相对波速wCVgh式中：为断面平均水深AhB设明渠水流流速为V，则微波传播的绝对速度为VghVgh向上游逆水流方向向下游顺水流方向1.2缓流与急流的动力学分析YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态干扰微波在缓流中的传播如果明渠水流流速V小于微波的相对波速C，即CV00VC干扰波既能向下游传播，又能向上游传播向上游逆水流方向传播的绝对波速为向下游顺水流方向传播的绝对波速为0VC缓流YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态干扰微波在急流中的传播如果明渠水流流速V大于微波的相对波速C，即CV0VC干扰波只能向下游传播，不能向上游传播向上游逆水流方向传播的绝对波速为向下游顺水流方向传播的绝对波速为0VC急流YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态干扰微波在临界流中的传播如果明渠水流流速V恰好等于微波的相对波速C，即CV0VC干扰波只能向下游传播，不能向上游传播向上游逆水流方向传播的绝对波速为向下游顺水流方向传播的绝对波速为0VC临界流YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态1.3缓流与急流的判别方法（一）定义弗劳德（Froude）数VFrgh水流为缓流水流为急流在临界流时：1Vgh水流为临界流hgCV所以1,FrCV1,FrCV1,FrCVYangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§1明渠水流的三种流态例题：一长直的矩形渠道，宽为5m，糙率为0.02，正常水深为2m时通过流量为40m3/s，试判别该明渠均匀流的流态。解：smAQV/41040201025mhbA1816.028.94hgVFr故水流为缓流（一）按佛汝德数判别（二）按微波的相对波速判别VsmhgC/28.428.9故水流为缓流YangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.1断面比能（断面单位能量）OOhz0zθOOO′O′z0cosh断面上单位重量液体所具有的总能量：220cos22VVEzzhgg定义断面比能：22Vhg222QhgAgVhe2cos2ohe45°当流量和断面的形状尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数。Keminhk断面比能随水深的减小而增大0dhdeFr1，VC，急流，hhk断面比能随水深的增加而增加0dhdeFr1，VC，缓流，hhkYangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.2临界水深ohe45°Keminhk在断面形式和流量给定的条件下，相应于断面比能最小值时的水深临界水深方程式32kkAQgB影响临界水深的因素：流量断面形状及尺寸临界水深是对应一个流量和给定断面的计算水深YangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.2临界水深ohe45°Keminhk在断面形式和流量给定的条件下，相应于断面比能最小值时的水深临界水深方程式32kkAQgB矩形断面明渠时：22332kQqhgbg单宽流量YangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.2临界水深ohe45°Keminhk在断面形式和流量给定的条件下，相应于断面比能最小值时的水深临界水深方程式32kkAQgB任意形状的断面明渠试算法图解——试算法h3ABO2Qgkhi0h0YangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.3临界底坡正常水深恰好等于临界水深时的底坡Qhkkkiihh0临界坡Qi0h0hkkkiihh0缓坡i0h0Qhkkkiihh0陡坡均匀流为临界流均匀流为缓流均匀流为急流YangzhouUniv2断面比能、临界水深及临界底坡《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡2.3临界底坡正常水深恰好等于临界水深时的底坡令kkiihh,0则有kkkkiRCAQ整理得：kkkkRCAQi222临界底坡是对应于一个流量和给定渠道的假设的坡度值YangzhouUniv《水力学》第六章明渠恒定流§2断面比能、临界水深及临界底坡明渠水流流态的各种判别方法判别法流态按波速C按佛汝德数Fr按临界水深hk均匀流时按底坡缓流VCFr1hhkiik临界流V=CFr=1h=hki=ik急流VCFr1hhkiikYangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.1明渠非均匀急变流现象水跌现象当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象平坡i=0跌坎急流缓流临界水深hkYangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.1明渠非均匀急变流现象水跌现象当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象kiikii石梁临界水深hk缓流急流YangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.1明渠非均匀急变流现象水跌现象当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象临界水深hk缓流急流缓流急流卡口YangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.1明渠非均匀急变流现象水跃现象当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部水力现象KK缓流急流YangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.1明渠非均匀急变流现象水跃现象当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部水力现象11h1跃前断面跃前水深h′跃后断面h222跃长Lj跃后水深hYangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.2明渠非均匀渐变流现象壅水现象水深沿程逐渐增加，其水面线称为壅水曲线YangzhouUniv3明渠非均匀流的水流现象《水力学》第六章明渠恒定流§3明渠非均匀流的水流现象3.2明渠非均匀渐变流现象降水现象水深沿程减小，其水面线称为降水曲线YangzhouUniv4人工渠道中非均匀渐变流的水面曲线计算《水力学》第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算4.1逐段试算的计算式JiLSE其中：)2()2(2122212gVhgVhEEEsss22222RCVKQJYangzhouUniv4人工渠道中非均匀渐变流的水面曲线计算《水力学》第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算4.2逐段试算的思路将明渠划分成若干流段，对第一流段用上式由已知断面求未知断面，然后逐段推算。JiLSEYangzhouUniv4人工渠道中非均匀渐变流的水面曲线计算《水力学》第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算4.3逐段试算的计算类型（1）已知流段两端的水深，求流段的距离△L（2）已知流段一端的水深和流段长△L，求另一端断面水深i1iki2ikKKhkh02N2N2N1N1h01a1△L1△L2△L3h1h2YangzhouUniv《水力学》例6.7一梯形渠道，底宽b＝12m，边坡系数m＝1.5，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0002，在渠道下游建有水闸一座，通过流量Q＝48.13m3/s时，闸前水深h＝5.0m，试计算渠道的水面曲线。解：（1）水面现象分析计算临界水深hk＝1.12m计算均匀流的正常水深h0＝3.0m因h0＞hk，故均匀流时渠道水流为缓流，该渠道为缓坡渠道。所以闸前将发生壅水曲线。壅水段上游端水深接近均匀流，在工程上一般取h＝1.01h0，作为壅水曲线上游端水深，于是h＝1.01×3.0＝3.03m。第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算YangzhouUniv《水力学》例6.7一梯形渠道，底宽b＝12m，边坡系数m＝1.5，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0002，在渠道下游建有水闸一座，通过流量Q＝48.13m3/s时，闸前水深h＝5.0m，试计算渠道的水面曲线。解：（1）水面现象分析第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算YangzhouUniv《水力学》（2）水面曲线计算已知闸前断面6—6水深h6＝5.0m，壅水曲线上游端断面1-1水深设定为h1＝3.03m；另设断面5—5至2—2之间的水深分别是h5＝4.6m，h4＝4.2m，h3＝3.8m，h2＝3.4m，。将计算渠道分为五段，计算每段长度。RCVigVhgVhJiEELss2221122212)2()2(第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算YangzhouUniv《水力学》断面hAχRCVe6-65.097.530.03.2548.70.490.0125.0123.1548.40.520.37243024305-54.686.928.63.0448.10.550.0104.6162.9447.90.570.48260550354-44.276.927.12.8447.60.630.0204.2202.7347.30.680.76317782123-33.867.225.72.6146.90.720.0263.8262.5046.60.781.124443126552-23.458.124.22.4046.30.830.0353.4352.3046.00.901.6610440230951-13.0350.122.92.1945.60.960.0473.080gV22RL410JVCL各断面水力要素及流段长度计算表第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算YangzhouUniv《水力学》根据表列数据即可绘出水面曲线：第六章明渠恒定流§4人工渠道中非均匀渐变流水面曲线的计算YangzhouUniv《水力学》例6.8：某一边墙成直线收缩的矩形渠道，渠长60m，进口宽b1为8m，出口宽b2为4m，渠底为负坡，i=-0.001，粗糙系数n=0.014，当Q=18m3/s时，进口水深h1=2m，要求计算中间断面及出口断面水深。60m8m4m30m30m2mh出口h中解：RCVigVhgVhJieeL2221122212)2()2(采用试算法第六章明渠恒定流§4人