流体力学第六章明渠恒定均匀流

1、6-1 6-1 明渠恒定均匀流的特性及其计算公式明渠恒定均匀流的特性及其计算公式渠槽或河槽中液流具有与大气相渠槽或河槽中液流具有与大气相通的自由表面通的自由表面明渠水流明渠水流：恒定流恒定流：均匀流均匀流： 流线为平行直线，运动要素沿程不变。流线为平行直线，运动要素沿程不变。运动要素不随时间变化。运动要素不随时间变化。棱柱形渠道棱柱形渠道：横断面形状、尺寸均沿程不变：横断面形状、尺寸均沿程不变的长直渠道，的长直渠道，A=f(h)。梯形断面：()Abmh h 2221(2 1)bhmmh 过水断面面积过水断面面积水力半径水力半径湿周湿周AR m:边坡系数边坡系数,表示明渠两侧的倾斜程度表示明渠两

2、侧的倾斜程度底坡：明渠底面纵向倾斜的程度，底坡：明渠底面纵向倾斜的程度，i i。sintanzzisl顺坡明渠：渠底沿程降低，顺坡明渠：渠底沿程降低，i i0 0；平坡明渠：渠底水平，平坡明渠：渠底水平， i=0 i=0；逆坡明渠：渠底升高，逆坡明渠：渠底升高， i i0 0。u 明渠均匀流的形成条件：明渠均匀流的形成条件：（1 1）渠道为长直棱柱体顺坡明渠；）渠道为长直棱柱体顺坡明渠；（2 2）水流为恒定流，流量沿程不变，无支）水流为恒定流，流量沿程不变，无支 流的汇入与分出；流的汇入与分出；（3 3）渠道表面粗糙系数沿程不变；）渠道表面粗糙系数沿程不变；（4 4）渠道中无闸门、坝体或跳水等

3、建筑物）渠道中无闸门、坝体或跳水等建筑物 对水流的干扰。对水流的干扰。u 明渠均匀流的特性：明渠均匀流的特性：（1 1）流线均为相互平行的直线；）流线均为相互平行的直线；（2 2）过水断面上的流速分布、断面平均流）过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变，速沿程不变， 不变；不变；（3 3）水面线、总水头线及底坡线三者相互）水面线、总水头线及底坡线三者相互平行。平行。22gV 明渠均匀流的计算公式：明渠均匀流的计算公式：谢才公式：谢才公式：vCRJCRi 161CRn 曼宁公式：曼宁公式：巴甫洛夫斯基公式：巴甫洛夫斯基公式： 1yCRn ,( ,)yf n R QAVACRiKi （K K：

4、流量模数）：流量模数） 粗糙系数粗糙系数n n反映河、渠壁面对水流阻力的反映河、渠壁面对水流阻力的大小，与渠道壁面材料、水位高低、施工质大小，与渠道壁面材料、水位高低、施工质量及渠道修成后的运行管理等有关。量及渠道修成后的运行管理等有关。 设计设计n n值偏大值偏大，设计阻力偏大，断面尺寸，设计阻力偏大，断面尺寸偏大偏大, ,实际流速设计流速实际流速设计流速； 设计设计n n值偏小值偏小，设计阻力偏小，断面尺寸，设计阻力偏小，断面尺寸偏小偏小, ,实际流速设计流速实际流速设计流速；u 水力最佳断面：水力最佳断面：流量一定时过水断面最小流量一定时过水断面最小或者过水断面一定时流量最大。或者过水断

5、面一定时流量最大。 5132231A iQACRin n,i,An,i,A一定时一定时, ,湿周湿周越小，越小，Q Q越大；越大；n,i,Qn,i,Q一定时一定时, ,湿周湿周越小，越小，A A越小。越小。 梯形水力最佳断面：梯形水力最佳断面： n,i,A n,i,A一定时一定时, ,湿周湿周最小。最小。 202( 1)0mdAdhmmddh 2mmhAR 6-2 6-2 简单断面明渠均匀流的水力计算简单断面明渠均匀流的水力计算 验算渠道的输水能力验算渠道的输水能力：已知断面形状、：已知断面形状、尺寸、尺寸、n n、i i，求，求Q Q。 确定渠道底坡确定渠道底坡：已知断面形状、尺寸、：已知断

6、面形状、尺寸、n n、Q Q，求，求i i。 确定渠道的断面尺寸确定渠道的断面尺寸：已知：已知Q Q、i i、n n、m m，求断面尺寸求断面尺寸b b和和h h。确定渠道的断面尺寸：确定渠道的断面尺寸：(1)b(1)b一定，求一定，求h h 假定若干不同的假定若干不同的h h值，绘出值，绘出Q=f(h)Q=f(h)曲线，曲线，找出对应的找出对应的h h。(2)h(2)h一定，求一定，求b b 假定若干不同的假定若干不同的b b值，绘出值，绘出Q=f(b)Q=f(b)曲线，曲线，找出对应的找出对应的b b。(3)(3)按梯形水力最佳断面条件，确定按梯形水力最佳断面条件，确定b b和和h h。

7、确定边坡系数确定边坡系数m m，计算宽深比，计算宽深比m m，根据，根据h=f(h=f(m m) )得出得出h h。(4)(4)已知已知 Q Q、v v、i i、n n、m m，求断面尺寸，求断面尺寸b b和和h h。 例例1 1：某矩形断面渠道，粗糙系数某矩形断面渠道，粗糙系数n=0.028n=0.028，底坡，底坡i=0.0005i=0.0005，底宽，底宽b=4mb=4m，当水深当水深h=1mh=1m时，求该渠道的输水流量时，求该渠道的输水流量Q Q。 6-3 6-3 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算 无压圆管均匀流水力的无压圆管均匀流水力的最佳充满度最佳充满度51322

8、3iAQACRin 2(sin )8dA,2d 52123132( )(sin )()82ddQfi n 0dQd 当当i i、n n、d d一定时，要使一定时，要使Q Q最大，必须满足最大，必须满足 。03080.95dQdhd ，即即时，输水能力最大。时，输水能力最大。21321vCRiR in l 流速流速 最大时，最大时，0257 270.813dRdhd ，即即无压管道均匀流的水力特性无压管道均匀流的水力特性：流量和流速达到最大值时，水流并没有充满流量和流速达到最大值时，水流并没有充满整个过水断面，而是发生在满流之前。整个过水断面，而是发生在满流之前。 无压管道均匀流的水力计算无压管道均匀流的水力计算(1)(1)验算输水能力，即已知验算输水能力，即已知d d、n n、i i，求，求 Q Q。 (2)(2)确定坡度确定坡度i i，即已知，即已知Q Q、 d d、n n，求，求i i。(2)(2) 已知已知Q Q、 i i 、n n，求，求d d 。223121sin(sin )184ddQACRiin 6-4 6-4 粗糙系数变化及复式断面明渠均匀流粗糙系数变化及复式断面明渠均匀流 的水力计算的水力计算 粗糙系数变化粗糙系数变化的的明渠均匀流的水力计算明渠均匀流的水力计算112212rn xn xnxx 等效粗糙系数等效粗糙系数 复