明渠恒定均匀流PPT课件

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1、1.1.明渠均匀流的水力特性及产生的条件明渠均匀流的水力特性及产生的条件. .2.2.明渠均匀流水力计算基本公式及其应用明渠均匀流水力计算基本公式及其应用. .3.3.水力最佳断面的概念及梯形断面水力最优宽深比水力最佳断面的概念及梯形断面水力最优宽深比条件条件. .第5章 明渠恒定均匀流本章重点:重庆交通大学港口航道与海岸工程专业基础课程第1页/共56页第5章 明渠恒定均匀流 明渠：具有与大气相接触的自由表面的流动形态。第2页/共56页 草街航电枢纽第5章 明渠恒定均匀流第3页/共56页第5章 明渠恒定均匀流第4页/共56页明渠与时间是否有关明渠恒定流 明渠非恒定流 流线平行与否明渠恒定均匀流

2、 明渠恒定非均匀流 明渠恒定流 第5章 明渠恒定均匀流 明渠水流的分类第5页/共56页F明渠恒定均匀流的受力特点分析 受力情况：(1)重力G；(2)动水压力FP1、FP2；(3)边界摩阻力Ff ； 由于是均匀流动，在流动方向的外力应相互平衡：12sin0PPfFGFF 意义：在明渠均匀流中摩阻力Ff 与水流重力在流动方向的分力相平衡。对于均匀流：12PPFFsinfGF第5章 明渠恒定均匀流第6页/共56页明渠的横断面 其中，m为边坡系数；cotm第5章 明渠恒定均匀流5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响第7页/共56页 梯形断面的断面参数： 水面宽度：2(2 )Bbmhm h 过水断面面积

3、：()Abmh h 湿周：221bhm 水力半径：2()21Abmh hRbhm第5章 明渠恒定均匀流5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响第8页/共56页 典型过水断面的断面参数：第5章 明渠恒定均匀流5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响第9页/共56页 棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡均沿程不变的顺直渠道。 反之，则称为非棱柱体渠道。第5章 明渠恒定均匀流5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响F 在非棱柱体渠道中，由于断面形状、尺寸及底坡等沿程发 生变化，流线不会是平行的直线，故水流不可能形成均匀流动。 第10页/共56页 明渠的底坡均匀流 0i 顺坡明渠 水平明渠 0i 逆坡明渠 0i

4、 第5章 明渠恒定均匀流5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响sini明渠渠底纵向倾斜的程度，用i 表示， 。 第11页/共56页明渠均匀流的特性第5章 明渠恒定均匀流5.2 明渠均匀流的特性及其产生条件明渠均匀流的水力特性及产生条件； 第12页/共56页 总水头线、水面线和底坡线三者相互平行。 流动特性 过水断面的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，动能 修正系数和流速水头也沿程不变。能量特性 第5章 明渠恒定均匀流5.2 明渠均匀流的特性及其产生条件 过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。几何特性 第13页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.2 明渠均匀流的特性及其产生条件F均匀流水深的取

5、法 第14页/共56页明渠均匀流产生的条件 均匀流的近似 水流应为恒定流。恒定流 流量应沿程不变。单一流 渠道必须是长直的棱柱体顺坡明渠，糙率沿程不变。 顺坡流 渠道中无闸、坝等各种水工建筑物的干扰。无干扰第5章 明渠恒定均匀流5.2 明渠均匀流的特性及其产生条件第15页/共56页明渠均匀流计算公式连续方程 谢才公式 QAvvCRJ对明渠均匀流J=iQAvAC Ri第5章 明渠恒定均匀流5.3 明渠均匀流的计算公式明渠均匀流水力计算基本公式及其应用； 第16页/共56页水力最佳断面 符合该条件的断面，工程量最小，称水力最佳断面。5/3 1/21/62/3 1/22/3111AiARRiARin

6、nn 将曼宁公式：1/61CRnQACRi第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速水力最佳断面的概念及梯形断面水力最优宽深比条件； 问题的提出： 在通过的流量一定时，如何使过水断面面积最小？ 在面积一定情况下，如何使流量达到最大？QAACRiv第17页/共56页由几何知识知： 当面积一定时，圆形断面的湿周最小，水力半径最 大，而半圆形断面与圆形断面水力半径相等。 由于半圆形断面不便于施工，因此，实际中常采用 梯形断面。第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速5 / 3 1/ 22 / 31AiQn(1)当n, i , A一定时, 越小，Q越大(2)当n, i , Q一定

7、时, 越小，A越小第18页/共56页F梯形断面水力最佳断面的推求 根据水力最佳断面的含义，有：AConstMin 即：2200,0dAdhdddhdh 而：()Abmh h221bhm第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速第19页/共56页22 10ddbmdhdh()0dAdbbmhhmdhdhF梯形水力最佳断面的宽深比b/h仅与边坡系数m有关。 又：222()212 1m hAbmh hRbhmmh22( 1)( )mbmmf mh第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速第20页/共56页2mmhR可得：F梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。22 12mbm

8、mh2mmbh2mmhR 对于矩形m = 0第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速第21页/共56页 不难证明，矩形或梯形水力最佳断面实际是半圆 的外切多边形断面。第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速 对一般土渠，m 0, ；即梯形水力最佳断面通 常为窄而深断面，这种断面工程量虽小，但不便施工及维 护，故无衬护的大型土渠不宜采用梯形水力最佳断面。1m第22页/共56页 允许流速 渠道中的流速v应小于不冲允许流速v，以保证渠道免遭冲刷(表5-3)； 渠道中的流速v应大于不淤流速v”，以保证水流中悬浮的泥沙不淤积在渠道中； 对航运渠道及水电站引水渠，渠中流速还需满足技

9、术经济条件及应用管理方面的要求。第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速第23页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速F m已知时， 是已知的。 第24页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.4 水力最佳断面及允许流速第25页/共56页思考题：5.1 5.2 5.3习题：5.1 5.2 5.3第26页/共56页本讲作业水力学(第四版)上册P213页习题5.1、5.2、5.3第5章 明渠恒定均匀流第27页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算 一般情况下，边坡系数m及粗糙系数n是根据渠道护 面材料的种类，用经验方法来确定。因此，工程实践中所

10、 提出的明渠均匀流的水力计算问题，主要有下列几种类型： 对于梯形渠道，各水力要素间存在着下列函数关系()QAC Rif mbhin， ， ，第28页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算 1、已知渠道的断面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系数 n，求通过的流量Q(或流速v)。第29页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第30页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第31页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第32页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第33页/共56页第5章 明渠恒定

11、均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算 2、已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽b、边坡系数m 和粗糙系数n，求水深h。第34页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第35页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算(2)迭代法 (略) 第36页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算 3、已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边坡系数m 及粗糙系数n，求渠道底宽b。 这一类问题的计算方法，与前一类求h的方法类似，也是采用试算-图解法或查图法。 第37页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第38页/共56页第5章 明

12、渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第39页/共56页第5章 明渠恒定均匀流 4、已知渠道的设计流量Q、水深h、底宽b、粗糙系数 n及边坡系数m，求底坡i。5.5 明渠均匀流的水力计算第40页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第41页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算 5、已知流量Q、流速v、底坡i 、粗糙系数n和边坡系 数m，要求设计渠道断面尺寸。第42页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.5 明渠均匀流的水力计算第43页/共56页断面周界上粗糙度不同的明渠均匀流水力计算 第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算非均

13、质渠道：湿周的各部分具有不同粗糙系数的渠道。处理方法： 各部分不同的糙率按综合糙率(等效糙率)统一计算。第44页/共56页1、当渠底糙率小于两岸糙率时22112212rnnn综合糙率：2、一般情况下，可按加权平均估算112212rnnn第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第45页/共56页复式断面明渠均匀流的水力计算 若仍按均匀流公式计算：会得到不合理的结果！QACRi第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第46页/共56页IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIQA CR iKiQA CR iKiQA CR iKi1(.)()

14、nIIIIIIIIInIIQQQQKKKiKi第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第47页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第48页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第49页/共56页第5章 明渠恒定均匀流5.6 粗糙度不同及复式明渠的水力计算第50页/共56页本章小结第5章 明渠恒定均匀流1、明渠均匀流的水力特性及产生条件；(1) 水力特性 总水头线、水面线和底坡线三者相互平行。流动特性 过水断面的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，动能修正系数和流速水头也沿程不变；能量特性 过水断面的形状、尺

15、寸及水深沿程不变；几何特性 第51页/共56页本章小结第5章 明渠恒定均匀流(2) 产生条件 水流应为恒定流。 恒定流 流量应沿程不变。 单一流 渠道必须是长直的棱柱体顺坡明渠，糙率沿程不变。 顺坡流 渠道中无闸、坝等各种水工建筑物的干扰。无干扰第52页/共56页本章小结第5章 明渠恒定均匀流2、明渠均匀流水力计算基本公式及其应用；明渠均匀流计算公式连续方程谢才公式QAvvCRJ对明渠均匀流J=iQAvAC Ri第53页/共56页本章小结第5章 明渠恒定均匀流3、水力最佳断面的概念及梯形断面水力最优宽深比条件；(1) 概念 (2) 最优宽深比条件22( 1)( )mbmmf mh 符合该条件的断面，工程量最小，称水力最佳断面。 问题的提出： 在通过的流量一定时，如何使过水断面面积最小？ 在面积一定情况下，如何使流量达到最大？QAACRiv第54页/共56页本讲作业水力学(第四版)上册P213页习题、5.6、5.10、5.13； P214页习题5.14； 第5章 明渠恒定均匀流第55页/共56页感谢您的观看。第56页/共56页