水利课件第14章明渠非恒定流

1、前进 由于自然条件的变化（如洪水涨落），或者由于河渠由于自然条件的变化（如洪水涨落），或者由于河渠上的水工建筑物（如闸门）不时地调节流量，使河道或人上的水工建筑物（如闸门）不时地调节流量，使河道或人工渠道中水流流速、水深（或水位、流量）等随时间而改工渠道中水流流速、水深（或水位、流量）等随时间而改变，从而形成了明渠中的非恒定流。变，从而形成了明渠中的非恒定流。 研究明渠非恒定流的目的：主要是确定在非恒定流研究明渠非恒定流的目的：主要是确定在非恒定流过程中，明渠水流的流速、水深（或水位、流量）等随过程中，明渠水流的流速、水深（或水位、流量）等随时间和流程的变化规律。用于时间和流程的变化规律。用于

2、洪水预报洪水预报、溃坝防洪、水、溃坝防洪、水电站上下游动力渠道设计等。电站上下游动力渠道设计等。主要介绍内容：主要介绍内容：明渠非恒定流的特性明渠非恒定流的特性明渠非恒定流波的分类明渠非恒定流波的分类明渠非恒定连续性方程式明渠非恒定连续性方程式明渠非恒定渐变流的能量方程式明渠非恒定渐变流的能量方程式明渠非恒定流的特性明渠非恒定流的特性特性之一：明渠非恒定流必定是非均匀流。特性之一：明渠非恒定流必定是非均匀流。( , )vv t s( , )hh t s或( , )qq t s( , )zz t sqt上qt下t（时）q（m3/s）上、下游断面的流量过程线上、下游断面的流量过程线t1t2zt上z

3、t下t（时）z（m）上、下游断面的水位过程线上、下游断面的水位过程线t1t2特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象。特性之二：明渠非恒定流也是一种波动现象。vwvwvvw波锋波锋波体波体特性之三：波所及之区域内，各过水断面水位流特性之三：波所及之区域内，各过水断面水位流量关系成绳套形曲线关系量关系成绳套形曲线关系zq恒定流时水位流量关系zq非恒定流时水位流量关系涨水落水qmaxzmaxqminzmin恒定流时，水面坡度是恒定流时，水面坡度是恒定的，所以水位与流恒定的，所以水位与流量呈单值关系。量呈单值关系。非恒定流时，涨水时水面坡度非恒定流时，涨水时水面坡度比同一水位下恒定流的坡度大，比同一水

4、位下恒定流的坡度大，因而流量亦大；在落水时，水因而流量亦大；在落水时，水面坡度比同一水位下恒定流的面坡度比同一水位下恒定流的坡度小，因而流量亦小。坡度小，因而流量亦小。明渠非恒定流波的分类明渠非恒定流波的分类按水力要素随时间变化的急剧程度分连续波不连续波按波到达以后水位的变化分涨水波落水波按波的传播方向与水流方向是否一致顺波逆波vwvw 图 14.3（a） 图 14.3（b） 明渠非恒定连续性方程式明渠非恒定连续性方程式ds上上下下t1aaqqqdssbbt2aadttaaadss()aaadsads dtsssqqdtt()qqqdsqds dtsts依水量平衡：222211()()22qq

5、aadsdtds dtdtdsdt dsss tts t 化简整理得：0aqts明渠非恒定流的连续性方程式过水断面面积随时间的变率流量随位置的变率0aqts若 ，则必然有0qs0at说明在微分流段内如果流进的流量多，流出的流量少，区间内水位将随时间而上涨，发生涨水波。0qs0at若 ，则必然有说明在微分流段内如果流进的流量少，流出的流量多，区间内水位将随时间而下降，发生落水波。0qs0at若 ，则必然有说明水流量沿程不变，水流为恒定流。因 q=av，a=a（s，t），v=v（s，t），所以()qavvaavssss明渠非恒定流连续性方程的另一种表达式为：0aqts0avaavtss对于矩形断面

6、明渠，a=bh，所以有0hvhhvtss明渠非恒定渐变流的能量方程式（运动方程式）明渠非恒定渐变流的能量方程式（运动方程式）1fhzvvvsgtgss单位重量液体的势能单位重量液体的势能沿流程的变化率沿流程的变化率（作用于单位重量液体上）（作用于单位重量液体上） 惯性力沿流程所作的功惯性力沿流程所作的功（作用于单位重量液体上）作用于单位重量液体上） 惯性力沿流程所作的功惯性力沿流程所作的功单位重量液体沿单位单位重量液体沿单位流程克服磨擦阻力所流程克服磨擦阻力所作的功作的功221hvvvvisgtgscr2210zvvvqsgtgsk或1fhzvvvsgtgss或圣维南（saint-venant

7、）方程组（1871年 法国）明渠非恒定流的连续性方程式明渠非恒定渐变流的能量方程式解法1.特征线法2.直接差分法3.瞬时流态法4.微幅波理论法 明渠非恒定急变流 断波 了解什么是断波 断波特征 波峰陡、阶梯式前缘 哪些波是断波： 溃坝后向下游传播的涌波、潮汐河口的涌潮等。 明渠均匀流的水力特征明渠均匀流的水力特征 1）过水断面的形状和尺寸、断面平均流速、流量和水深沿程不变。通常将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。 2）总水头线、测压管水头线（水面坡度）和渠底线互相平行，即： 水流因高程降低而引起的势能减少正好等于克服阻力所损耗的能量，而水流的动能维持不变。 由数字高程模型提取的沿渡河流

8、域水系图由数字高程模型提取的沿渡河流域水系图肚松衯宸&愮鐝d)? $?d悡!餯怉 扈鋹a 嘬貑 d?啃?d怉?4 癮?0?2l豀/d 既 脝?窗? 兡蓟癟鑳 d?兗? t 穃$0嬅7d胒 d恆 溓?様?鸙捐 賰 u:hd j o?3葏蓇 3繼伞銨? 3覌耺缻d?b凓du鞁 ?v悏鳆鸖 卯嬺嬝擛吚憢 塒鼢 媀 ?塧x b ?6?镞p?塓 =?輧棵廤uq嬹?$嬭媇- $?痁墢?頢 s ;聈 %谶蚩魅婥? f ? ;u ?i7,嬤;雞嶂嬇槣郬杽 gz_ 摞?跌u孄?餽p嬑 jk萘秣?k贤wb#u 媜 7w兀?)鱱h秒?y? 麐z 蟏?=?傉哙?w+鶋| 渹?饓s 詐?瘙= 氙 ;鹵?y%惢_?&嬟嬸

9、侢 ?s? v鄟?佹饟 j oh?v 孁?3黷#嬘胳幥 i鳻聋茓 p$ ?荱嬞稠- j 纉 焗豒m?u馫vi)h纞潈; 矸?揿塋!魄舩?屗塗$9鑺 锂?艍)?婋q浣=鼖s顆f嬈 ?2w聟f+w?:脄汄y賰亥i?p礪?wa飞;z厬 圪?呂z?拶?騚咡譪 4#涨?鞗籽?菮=pm櫶k?卌蠑?q駜6项縠餗q鹰|u鬨滗歒?淬盭睟覙6u姮?m+/l!ol 諉:?5?磐嵸?錺潗 t?鈪醞3h袳 牒 唣?罐cb? 捓铹k 挭鑈p衈 聮嗌 蜞敏?l 孰pb潉?潕肚松衯?雎挥=?牓2d?h糖 =m 痞 ?(瘣滸?( h?棧哐锒$*?z 3蓚w 傯= %u旄 冏?塧 ?腦?u zyy h?w鹁?镁+x脲燴哠k?q

10、梽桃 羀徬 ? w? 錭x?c?e ?gei鎃+, nit噈鲃 c ?u锳 9 硄 轻儍l8踇縎; w岐?u rh ?wx鵛 8 吷y 兞 恋w 六 堲?-猴w兂.+嬼? 墎 娮 ?嗠鸊gij倭r j ?侜!?u?唻蕛? 凓 | ? 縖鸹嬔r 責 | a伾 鼐*?% 磣嬓冴 苻 高 hv霼?m | 兪 t?4撠 ? 聝 ?飌z0?t蕞筍 讧?3 髀続c?p? t 壉鄪mr +?p ; 8齚 p 蕞驱_嬝3? ?%?佝較#?u嬻芺婩 *?莀x _ ? 萄阯k詴qm? x拱曃 ?鳡?+腰 +?艃? ?u? 葭?橗?岶 %媗祆 ?呿祴?峙 % ms?叫篂?x ?$ ?f笂 斚汶弸邏s?苾铏p荫渌? 呉坡y询生蓯籀 塡塠= ?鬋 昆?sz ?|_)5隠瑾.觠0峗e ?王?謷呻 u?蓌 x0 ?艣专 ?u?v=zt望 ?v ;3蒛h8#?d?z痣w兠 兯凔?黄t ? 彄貖 ?ty?嗥 肻bu su? x墊侓?嬎茆=d彎塎 偗an? 婻 鞽咢0v箅 _溹? ?j)橆1e ? c?r? 萤g ;烹2c ?c?炩 ?婾 u蔙t宆 q ?啪)u