《水力学讲义》PPT课件

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1、水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流人 工 渠 道 或 天 然 河 道 中 的 水 流 绝 大 多 数 是 非 均 匀 流 。明 渠 非 均 匀 流 的 特 点 :流 线 不 是 相 互 平 行 的 直 线 ， 同 一条 流 线 上 各 点 的 流 速 (包 括 大 小 和 方 向 )不 同 ， 明 渠 的 底坡 线 、 水 面 线 、 总 水 头 线 彼 此 互 不 平 行 。在 明 渠 非 均 匀 水 流 中 ， 若 流 线 是 接 近 于 相 互 平 行 的 直线 或 者 说 流 线 间 夹 角 很 小 ， 流 线 的 曲 率 半 径 很 大 ， 这 种水 流 称 为

2、明 渠 非 均 匀 渐 变 流 。 反 之 为 明 渠 非 均 匀 急 变流 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流 本 章 着 重 研 究 在 恒 定 流 情 况 下 ， 明 渠 非 均 匀 渐 变 流 的水 流 要 素 沿 流 程 的 变 化 规 律 ， 主 要 研 究 明 渠 水 深 (或 水 位 )沿 流 程 的 变 化 规 律 ， 也 就 是 要 分 析 研 究 关 于 水 面 曲 线 的 变化 及 其 计 算 ， 以 便 恰 当 地 确 定 明 渠 边 墙 高 度 ， 以 及 回 水 淹没 的 范 围 等 等 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均

3、匀 流6.1 明 渠 水 流 的 三 种 流 态 缓 流 ： 当 明 渠 中 水 流 受 到 干 扰微 波 后 ,若 干 扰 微 波 既 能 顺 水 流 方向 朝 下 游 传 播 ,又 能 逆 水 流 方 向 朝上 游 传 播 ,造 成 在 障 碍 物 前 长 距 离的 水 流 壅 起 ,这 时 渠 中 水 流 就 称 为缓 流 。 （ 如 图 ） 此 时 水 流 流 速 小于 干 扰 微 波 的 流 速 ， 即 w。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流临 界 流 ： 当 明 渠 中 水 流 受 到 干 扰 微 波 后 ， 若 干 扰微 波 向 上 游 传 播 的 速 度

4、为 零 ， 这 正 是 急 流 与 缓 流 这两 种 流 动 状 态 的 分 界 ， 称 为 临 界 流 。此 时 =vw。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流明 渠 水 流 流 态 的 判 别 依 据 是 佛 汝 德 数 Fr : 弗 汝 德 数 : Fr = 当 Fr 1， 水 流 是 缓 流 ， 当 Fr = 1， 水 流 是 临 界 流 ， 当 Fr 1， 水 流 为 缓 流 。hgv 水力学讲义 如 果 您 有 任 何 问 题 ，请 毫 不 犹 豫 地 提 出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate t

5、o ask me !欢 迎 提 问 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流6.2 断 面 比 能 与 临 界 水 深一 、 断 面 比 能 、 比 能 曲 线 断 面 比 能 Es是 以 通 过 明 渠 断 面 最 低 点 的 水 平 面 为 基 准的 单 位 重 量 水 体 所 具 有 的 总 机 械 能 ， 可 表 示 为 ： 22 22 2 gAQhghsE 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流 当 断 面 的 形 状 、 尺 寸 和 流 量 一 定 的 时 候 ， Es只 是 水 深 h的 函 数 。 取 =1， 可 导 出 ：从 上 式 可 知 ：当

6、 0， 必 定 Fr l， 水 流 是 缓 流 。当 0， 则 Fr l， 水 流 是 急 流 。当 0， Fr 1， 是 临 界 流 ， 这 时 Es取 极 小 值 ， 对 应 的 水 深 是 临 界 水 深 hk。 232 11 FrgABQdhdEs 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流二 、 临 界 水 深 hk 临 界 水 深 hk是 讨 论 明 渠 水 流 运 动 和 水 面 线 的 重 要 参数 ， 其 计 算 公 式 为 ： kkBAgQ 32 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流临 界 水 深 hk的 计 算 方 法 为 试 算 图 解 法

7、 、 选 代 计算 和 查 图 法 。 要 求 能 记 住 矩 形 断 面 明 渠 临 界 水 深 的计 算 公 式 ： 3 23 22 gqgbQkh 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流利 用 梯 形 断 面 明 渠 临 界 水 深 hk 可 以 判 别 明 渠 水 流的 流 态 ：当 明 渠 内 水 深 h hk ， 水 流 为 缓 流 ；当 明 渠 内 水 深 h hk ， 水 流 为 急 流 ；当 明 渠 内 水 深 h =hk ， 水 流 为 临 界 流 。 水力学讲义 如 果 您 有 任 何 问 题 ，请 毫 不 犹 豫 地 提 出 !In case of yo

8、u have any question, DO NOT hesitate to ask me !欢 迎 提 问 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流6.3 临 界 底 坡 、 缓 坡 与 陡 坡 1、 临 界 底 坡 （ critical slope） ： 在 棱 柱 形 渠 道 中 ， 断 面形 状 尺 寸 、 流 量 一 定 时 ， 在 渠 中 形 成 均 匀 流 ， 若 均 匀 流 的正 常 水 深 恰 好 等 于 该 流 量 的 临 界 水 深 ， 则 这 个 渠 道 的 底 坡就 称 为 临 界 底 坡 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流明

9、渠 均 匀 流 的 基 本 方 程 式 ： Q = AK CK (RK iK)1/2临 界 水 深 的 条 件 式 ：则 临 界 底 坡 的 计 算 式 为 ： kB kAgQ 32 kk kkkk kk BCgBRC Agi 22 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流2、 底 坡 的 分 类 缓 坡 、 陡 坡 、 临 界 坡 缓 坡 （ iik） ： 即 实 际 的 明 渠 底 坡 大 于 某 一 流 量 下 的 临界 坡 度 ， 此 时 的 渠 底 坡 度 称 为 陡 坡 。 临 界 坡 （ i=ik） ： 即 实 际 的 明 渠 底 坡 等 于 某 一 流 量 下 的

10、临 界 坡 度 ， 此 时 的 渠 底 坡 度 称 为 临 界 坡 。 水力学讲义 如 果 您 有 任 何 问 题 ，请 毫 不 犹 豫 地 提 出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !欢 迎 提 问 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流6.4 临 界 水 深 的 一 些 实 例 在 分 析 明 渠 水 流 问 题 时 ， 了 解 那 些 场 合 会 出 现 临 界 水深 ， 具 有 重 要 的 意 义 。 因 为 只 要 测 得 一 个 断 面 上 的 临 界 水深 并 量 取 了 该

11、断 面 的 尺 寸 ， 其 流 量 即 能 简 便 而 精 确 地 估 算出 来 ， 如 在 明 渠 中 ， 若 知 道 发 生 临 界 水 深 断 面 的 位 置 ， 就相 当 于 取 得 一 个 已 知 条 件 （ 水 深 为 临 界 水 深 ） ， 把 该 断 面作 为 控 制 断 面 ， 据 此 来 推 求 上 下 游 水 面 曲 线 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流6.5 明 渠 恒 定 非 均 匀 渐 变 流 的 微 分 方 程 式以 0-0为 基 准 面 ， 列 断 面 1-1和 2-2的 能 量 方 程 ： 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非

12、均 匀 流展 开 并 略 去 高 阶 项 有 ： 忽 略 局 部 水 头 损 失 ：棱 柱 形 明 渠 ： 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流底 坡 ：则 得 棱 柱 形 渠 道 中 水 深 沿 程 变 化 规 律 的 基 本 微 分 方 程 ： 水力学讲义 如 果 您 有 任 何 问 题 ，请 毫 不 犹 豫 地 提 出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !欢 迎 提 问 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流6.6 棱 柱 体 明 渠 中 恒 定 非 均 匀 渐 变

13、流 水 面 曲 线 分 析棱 柱 体 明 渠 渐 变 流 水 面 曲 线 分 析 的 基 本 方 程 是 ： 首 先 将 明 渠 按 底 坡 性 质 分 为 三 种 情 况 ： 正 坡 （ i0） ， 平 坡 （ i=0） ， 逆 坡 （ iho 且 hhc b区 （ 2区 ） ： h0hhc 或 h0hhc c区 （ 3区 ） ： hh0 且 hi0） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流a、 在 1区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 M1型 壅 水 曲 线 。 (hhohc)b、 在 2区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 M2型 降 水 曲 线 。 (hohhc)c、 在

14、 3区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 M3型 壅 水 曲 线 。 (hohch) 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流 2、 陡 坡 渠 道 （ iic 0） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流a、 在 1区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 S1型 壅 水 曲 线 。 （ hhch0） b、 在 2区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 S2型 降 水 曲 线 。 （ h0hhc） c、 在 3区 内 的 水 面 曲 线 ， 为 S3型 壅 水 曲 线 。 （ hch0h） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流3、 临 界 渠 道 （ i=

15、ic） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流 流 动 只 有 在 1区 和 3区 ， 只 存 在 C1型 壅 水 曲 线 和 C3型 壅 水 曲线 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流二 、 平 坡 渠 道 （ i=0） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流临 界 水 深 线 C-C， 将 流 动 分 为 2区 和 3区 ， 分 别为 ： H2型 降 水 曲 线 和 H3型 壅 水 曲 线 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流三 、 逆 坡 渠 道 （ i0） 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流临

16、界 水 深 线 C-C， 将 流 动 分 为 2区 和 3区 ， 水 面 线分 为 ： A2型 降 水 曲 线 和 A3型 壅 水 曲 线 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流四 、 水 面 曲 线 的 特 点 1.所 有 位 于 1区 和 3区 的 水 面 线 都 是 水 深 沿 程 增 加 的 壅 水曲 线 ， 所 有 位 于 2区 的 水 面 曲 线 都 是 水 深 沿 程 减 少 的 降 水 曲线 。 2.除 了 临 界 坡 渠 道 中 的 两 种 水 面 曲 线 C1及 C2外 的 其 它 水面 曲 线 ， 当 水 深 h趋 近 于 h0时 ， 水 面 曲 线

17、以 N-N为 渐 近 线 ;当水 深 h趋 近 于 hc时 ， 水 面 曲 线 趋 向 于 与 C-C线 正 交 。 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流五 、 水 面 曲 线 的 定 性 绘 制 步 骤 1、 求 出 渠 道 正 常 水 深 h0和 临 界 水 深 hc， 然 后 将 渠 道 流 动空 间 分 区 。 需 要 注 意 ： 只 有 在 正 坡 渠 道 中 才 存 在 h0， 而 且 底坡 i增 大 ， h0减 小 ； 临 界 水 深 hc与 底 被 i无 关 。 2、 选 择 已 知 水 深 的 断 面 作 为 控 制 断 面 。 3、 由 控 制 断 面 处 的 已 知 水 深 确 定 所 在 流 区 的 水 面 线 形式 ， 根 据 水 面 线 变 化 规 律 ， 从 控 制 断 面 分 别 向 上 游 或 下 游确 定 水 面 线 的 变 化 趋 势 。 水力学讲义 如 果 您 有 任 何 问 题 ，请 毫 不 犹 豫 地 提 出 !In case of you have any question, DO NOT hesitate to ask me !欢 迎 提 问 水力学讲义 第 六 章 明 渠 恒 定 非 均 匀 流 谢 谢 ！