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文档简介
1、流 体 力 学第四讲 管流、明渠流及渗流【内容提要】孔口自由、淹没出流,管嘴出流,收缩断面,流量系数,短管水力计算及特例,串联、并联长管水力计算。明渠均匀流产生的必要条件及均匀流特性,谢才公式、满宁公式,明渠均匀流水力计算,最佳水力断面设计。渗流模型,渗透系数,达西定律,裘布依假设,潜水井计算公式。【重点、难点】孔口自由、淹没出流,管嘴出流;达西定律,裘布依假设,潜水井等计算【内容讲解】一、孔口、管嘴出流、有压管道恒定流1、薄壁小孔口恒定出流 流体经孔口流出称为孔口出流。如图3-4-1。当容器中水位(或压强)不变,孔口的出
2、流量恒定时,称为恒定出流。当容器壁比较薄,或孔口具有锐缘时,孔口的壁厚对出流没有干扰作用,称为薄壁孔口。流体从容器的四面八方流向孔口,流线成光滑曲线向孔口集中,在孔口断面上流线不相平行,继续收缩至距孔口断面d/2(d为孔口直径)处流线才趋于平行,此断面称为收缩断面,即图3-4-1中断面c-c。收缩断面的面积A,小于孔口面积A,3、有压管道恒定流 液体充满整个管道断面,管壁处处受到液流的压强作用,此压强一般不等于大气压强,这种流动称有压管流。当管流中各运动要素均不随时间变化,则称为有压管道恒定流。其中也包括了不考虑压缩性的气体在管道中的恒定流动。有压管道恒定流
3、的水力计算主要是确定管道中通过的流量;确定相应的水头;确定某断面的压强或压强沿管线的变化。根据布置不同,可分为简单管道,串并联管道。(三)并联管道二、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制约。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
4、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3-4-6( )所示:1、明渠均匀流的形成条件和水力特征形成明渠均匀流的条件:长而直的棱柱形渠道;底坡i>0,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。只有满足以下全部条件,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。所以明渠均匀流是在特定条件下,作用在液流上的重力和
5、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准确的结果。2、明渠均匀流的水力计算三、渗流 1、概述流体在孔隙介质中的流动称为渗流。本节主要讨论水在土壤孔隙中流动的规律。这种渗流也称为地下水流动。在工程问题中,需要知道的是某一范围内渗流的平均效果,如平均渗流量、平均渗透压力等,而不需要知道土壤孔隙中渗流的详细过程,因此研究渗流时引入简化的渗流模型来替实际的渗流运动。简化的渗流模型是:认为渗流区内不存在土壤颗粒且为水所
6、充满。这样整个渗流区可以被看成是为水所充满的连续流动。它必须满足:对同一过水断面,模型的渗流量应等于真实的渗流量;.作用于模型任意面积上的渗透压力应等于真实的渗透压力。必须注意,渗流模型中的流速和实际渗流中的流速是不会相等的。 2、渗流的达西定律(一)达西定律达西分析了大量实验资料,得到圆筒内的渗流量Q与圆筒横断面积A和水力坡度 成正比,并和土壤的透水性能有关。达西建立的基本关系为:5、大口井与基坑排水大口井是采取浅层地下水的一种井,井径较大,大致为210m或更大些。井底出水量是总出水量的一个组成部分。由于大口井与基坑排水的性质近似,计算方法基本相同。大口井有井壁进水和井底进水等方式,而井底进水方式往往占重要的地位。对于井壁进水的完
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