第6章明渠恒定流动

EngineeringFluidMechanics工程流体力学山东建筑大学目录第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴和有压管流第6章明渠恒定流动明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽明渠水流分类：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均匀流明渠非均匀流明渠非均匀流

无第六章明渠恒定流动AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流

明渠流与有压流区别

有压管流：①具有封闭的湿周；②压力是流动的主要动力。明渠流：①具有自由水面（即水面压强为大气压）；②重力是流动的主要动力；③明渠水面线即测压管水头线一、明渠横断面1.天然河道的横断面呈不规则形状，分主槽和滩地枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地

滩地主槽

断面确定：根据地质条件2.人工明渠的横断面据渠道的断面形状分:梯形、矩形、圆形、抛物线形等hbdhθ岩石中开凿或条石砌筑或混凝土渠或木渠—矩形排水管道或无压隧道—圆形土质地基—梯形bBhm1α渠道底宽b渠中水深h水面宽度B过水断面面积A水力半径R断面宽深比边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离土壤种类边坡系数m粉砂3.0~5.3细沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密实黄土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半岩性的抗水的土壤0.5~1.25风化的岩石0.25~0.5未风化的岩石0.00~0.25m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表二、明渠底坡

底坡i—渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡θ—渠底线与水平线之间的夹角如果用水平距离代替实际距离，用垂直水深代替实际水深明渠底坡有三种类型

正（顺）坡i

>0渠底高程沿流程降低

平坡i=0渠底高程沿程不变负（逆）坡i<0渠底高程沿流程增加

i>0

i=0

i<0

缓流：水流徐缓，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能逆流上传至较远地方。常见于底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。明渠流动的三种状态：缓流状态、急流状态、临界流三、明渠流动状态急流：水流湍急，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，对上游来流无影响。常见于山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。流态判别方法：1、波速（c）法、水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。

静止水v=0

运动水v2、弗劳德数法弗劳德数：——表征动能——缓流——急流——临界流3、断面比能法z0h

cosθhzz0θ00vQ上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面，过水断面单位液重的总能量为当底坡θ（6°）较小的渠道，cosθ≈1，则式中，Es为断面比能（断面单位能量）

比较

z0h

cosθhzz0θ00vQ

E和Es两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关流量一定时，Es是断面形状、尺寸的函数当流量和断面形状一定时，Es是水深函数例如，均匀流断面比能曲线Esh渐近线1：横坐标为渐近线渐近线2：坐标轴成45°直线

当,流态为临界流

当,流态为临界流

临界流方程

或

hk为临界水深EsminhhkEs缓流缓流急流hEsminhkEs临界流急流缓流急流hEsminhkEs临界流断面比能的变化规律h1h2Es2Es1hhkEsh1h2Es2Es14、临界水深及其计算

临界流方程

(1)矩形断面明渠

(2)任意断面的明渠为含hk的高次隐函数式，不能直接求解hk

试算法、试算图解法

Hk与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n、i无关：缓流，：急流：临界流，在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量一定时，均匀流正常水深h0=hk时，对应的渠底底坡称为临界底坡ik。临界底坡是一个假想底坡，与渠道实际底坡无关，仅与渠道流量Q、糙率n、断面形状尺寸有关.5、临界坡度法由：在上述三种底坡上，水可以作均匀流动，也可以作非均匀流动，如作非均匀流动，则：【例】有一矩形长渠道，已知流量Q＝25m3/s，渠宽b＝5m，糙率n＝0.025，底坡i＝0.0005。试用三种方法判别该渠道在均匀流时的流态。底坡（均匀流时）水深流速Fr数比能E动能与水深h>hkh<hkh=hkV<CV>

CV=

CFr<1Fr>1Fr=1dE/dh>0dE/dh<0dE/dh=0i>iki<iki=ik特征缓流急流临界流讨论：流态判定的几种方法【解】

缓流又21058110.7320513226.554.120.55