流体力学7-4.5(40学时)课件

第四节明渠运动状态明渠水流有两种截然不同的运动状态：急流：水流湍急，水面遇障碍物隆起后流过,上游水面不发生壅高，障碍物干扰对上游来流无影响；常见于陡槽、瀑布、险滩中缓流：水流徐缓，常见于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中,遇到障碍物（如河道中的孤石）阻水，则障碍物前水面壅高，逆流上传到较远的地方1一、明渠非均匀流产生原因和特征1、产生原因明渠均匀流（等速流、等深流）只发生在断面形状尺寸、i、n沿程不变的长直渠道中（渠道边界不发生变化）明渠非均匀流（实际情况）当在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破坏了明渠均匀流发生的条件，造成了流速、水深的沿程变化，从而产生明渠非均匀流流动。水工建筑物：桥、涵管、坝、闸、跌水自然因素：河渠过流断面、河床底坡非均匀流(壅水曲线）原均匀流水面h0i<icM122、特征水力特点明渠均匀流

i=J=Jp

明渠非均匀流i≠J≠Jp水面线明渠均匀流——直线

明渠非均匀流——曲线

明渠非均匀流主要讨论的问题：计算各过水断面水深h的沿程变化，即分析和计算渠道的水面曲线。h0i<icM13二、断面单位能量Cross-sectionalUnitEnergy1、定义任取一断面，其单位重量液体的机械能

zhJJP0-0i>001-01eEz0-001-01h断面单位能量：是指当基准面0-0取在渠底最低高程时，单位重量流体所具有的机械能将基准面提高z，使其通过该断面最低点，单位重量液体相对于新基准面01-01的机械能

4断面单位能量(断面比能）2、说明（e与E的区别）e为基准面选在断面最低点的机械能，水流通过该断面时运动参数v、h所表现出的能量对于明渠流动，每个断面都有一个e值e与E的基准面相差一个渠底位置高度Z(位能)，且E沿程是同一个基准面，而e是通过各自断面最低点为基准面，沿程基准面不相同E沿程减少，e沿水流方向可以增大、不变或减小；当de/ds=0时为均匀流一定条件下e=f(h)，e为水深的单值连续函数，故可利用e的变化规律作为对水面曲线分析计算的有效工具。53、断面单位能量曲线

棱柱形渠道(断面形状尺寸一定)、Q=c，e随水深而变化，为水深h的单值连续函数h1hhh=e45h2emin

ehce=f(h)基本特征水深很小h0，则e，以横轴为渐近线水深很大h，则eh，以45线为渐近线在e=f(h)的连续区间内，必有一极小值存在曲线分两支：上支de/dh>0随着e增加h增加——缓流

下支de/dh<0

随着e增加h减少——急流且相应于任意e有两个水h1、h2。6平均水深

hm=A/B缓流Fr<1断面单位能量曲线e的上支急流Fr>1断面单位能量曲线e的下支临界流Fr=1断面单位能量曲线e的最小点三、弗劳德数Fr临界弗劳德数Frc=17四、临界流速vc临界弗劳德数Frc临界流速vc

实际明渠中，水通常是流动的，临界流速vc与微幅干扰波的波速有关。弗劳德数Fr8定义式hm=A/B——梯形断面明渠的平均水深，特征长度物理意义9五、临界水深hc(Criticaldepth)在断面形式和流量给定的条件下，相应断面单位能量最小时emin的水深，此时de/dh=0矩形断面明渠水流：hhc临界水深计算式(试算法或图解法求解)P168例7-4q=Q/b——单宽流量m2/s

h>hc缓流h<hc急流10六、临界底坡ic

(CriticalSlope)棱柱形渠道中的断面形状尺寸、流量一定时，在渠中形成均匀流，若均匀流的正常水深h0恰好等于该流量时的临界水深hc，则这个渠道的底坡就称为临界底坡。明渠均匀流：临界水深：临界底坡：

临界底坡是对应某一流量和某一给定形状尺寸渠道的特定渠底坡度值，是为了计算或分析明渠流动的方便而引入的一个假设坡度（特定坡度）11

缓坡、陡坡、临界坡缓坡i<ic：实际的明渠底坡小于某一流量下的临界坡度，此时的渠底坡度称为缓坡，流态为缓流。急坡i>ic：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急坡（陡坡），流态为急流。临界坡i=ic：实际的明渠底坡等于某一流量下的临界坡度，此时的渠底坡度称为临界坡，流态为临界流。12流态判别方法汇总注：1、2、3适用于均匀流或非均匀流——普通标准4只适用于均匀流——专属标准。缓流急流临界流123413例7-1长直的矩形断面渠道底宽b=1m，粗糙系数n=0.014，底坡i=0.0004，渠内均匀流正常水深h0=0.6m。试判别水流的流动状态解:水力半径谢才系数断面平均流速为1．用弗劳德数判别

缓流2．用临界水深判别

缓流143．用临界底坡判别

用临界水深hc=0.24m,计算相应量

此渠道为缓坡渠道，此均匀流是缓流4.用临界速度判别

缓流15第五节水跃和水跌水跃：明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面骤然跃起的局部水力现象水跌：明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面突然降落的局部水力现象。

水流由一种状态过渡到另一种流动状态，理论上是水面升、降变化经过临界水深的过程，研究水流衔接、运动状态的过渡问题，均需由此入手。

16一、水跃HydraulicJump1、水跃的定义急流→缓流(h<hc→h>hc)在溢洪道下、泄水闸下、平坡渠道中闸下出流时均可形成。2、水跃的结构（分区）旋滚区（表面水滚）：水跃区域的上部呈饱掺空气的表面旋滚似的水涡。主流区：水跃区域下部为在铅直平面内急剧扩张前进的水流。C-Cv1v2h'

急流区水跃区域缓流区旋滚区水跃长度i=0

主流区水跃高度h"17二、水跌HydraulicDrop