第一讲：明渠水流的流态

水力分析与计算主讲人：沈汉明渠水流的流态明渠水流的流态明渠非均匀流概述明渠水流的三种流态明渠水流流态的判别方法一、明渠非均匀流概述人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。明渠非均匀流的特点：

底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。一、明渠非均匀流概述产生明渠非均匀流的原因：明渠横断面的几何形状或尺寸沿程改变；粗糙度或底坡沿流程改变；明渠中修建人工建筑物（闸、桥梁、涵洞等）。一、明渠非均匀流概述明渠非均匀流分类：

明渠渐变流：

如果明渠非均匀流的流线间夹角较小，曲率半径较大，称为明渠渐变流；反之为明渠急变流。本节课重点研究明渠中恒定非均匀渐变流的流态及判别方法。明渠非均匀流非均匀渐变流非均匀急变流二、明渠水流的三种流态与有压流不同，明渠水流特有的水流流态为：缓流、临界流、急流。缓流流速小，水势平稳，遇到障碍物时水位向上壅高而在障碍物处往下跌落的水流。急流流速大，水流湍急，遇到障碍物时一跃而过，上游水面不受影响的水流。临界流介于缓流与急流之间的一种水流临界水流状态。三、明渠水流流态的判别方法——（1）干扰波速判别法在生活中大家会观察到这样一种现象，在平静的湖面上投一颗石子，水面将会产生一个干扰波，而且这个波动以石子的着水点为中心，以一定的速度vw，向四周传播。平静水面上干扰波的波形是半径不等的同心圆，如图所示。如果在流动的水中投一颗石子、设水流的断面平均流速为v，那么水面波的传播速度应是水流的速度与波速的矢量和。由上面的分析可知，要判别水流的流态，不仅需要知道水流的断面平均流速，还必须确定干扰波的相对波速。由能量方程可推出:明渠中干扰波传播的相对波速计算公式为vw=。那么对于干扰波速判别法(又称流速判别法)，比较水流断面平均流速v和干扰波传播的相对波速vw的大小，可判别水流的流态，方法如下：三、明渠水流流态的判别方法——（1）干扰波速判别法当v<vw时，水面干扰波能向上游传播，明渠水流为缓流;当v>vw时，水面干扰波不能向上游传播，明渠水流为急流;

当v=vw时，水面干扰波不能向上游传播，但处于临界状态，明渠水流为临界流。当Fr＜1，水流为缓流；当Fr＝1，水流为临界流；当Fr＞1，水流为急流。三、明渠水流流态的判别方法——（2）佛汝德数判别法佛汝德数的物理意义：是过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方。佛汝德数的力学意义：是代表水流的惯性力和重力两种作用的对比关系。引入佛汝德数：三、明渠水流流态的判别方法——（3）临界水深判别法引入断面比能概念如图所示，明渠的底坡与水平面的夹角为θ，水流为非均匀渐变流。任取一过水断面，设水深为h、流速为v。若以过水断面最低点的水平面为基准面，以水面为代表点，断面上单位重量的液体所具有的机械能，称为断面单位能量或断面比能，以Es表示。三、明渠水流流态的判别方法——（3）临界水深判别法当流量Q和渠道过水断面的形状和尺寸一定时，断面比能仅是水深h的函数。断面比能曲线是对某一固定断面而言的，且与流量有关。对于同一断面，不同流量可以得出不同的比能曲线及相应的临界水深。三、明渠水流流态的判别方法——（3）临界水深判别法将断面比能函数对水深h求一阶导数。发现断面比能最小时，Fr=1，这就是临界流，对应的水深为临界水深，用hk表示。因此，把断面比能最小值Emin所对应的水深称为临界水深，用hk表示。图中，临界水深在比能曲线上所对应的点C将比能曲线分成上、下两支，曲线上半支随水深h的增大，断面比能增大，即导数>0，Fr<1，为缓流;曲线下半支随水深h的增大，断面比能减小，即导数<0,Fr>1，为急流。三、明渠水流流态的判别方法——（3）临界水深判别法因此通过计算并比较水流断面水深h与临界水深hk的大小，可判别水流的流态，方法如下:当h>hk,明渠水流为缓流;当h<hk，明渠水流为急流;当h=hk，明渠水流为临界流。三、明渠水流流态的判别方法——（4）临界底坡判别法临界底坡判别法仅适用于一定流量下的明渠均匀流流态的判别。计算一定流量下明渠的临界底坡i，并与明渠实际底坡i比较，可判别明渠均匀流流态，方法如下:当i<ik时，明渠水流正常水深h0>hk,均匀流为缓流;当i>ik时，明渠水流正常水深h0<hk，均匀流为急流;当i=ik时，明渠水流正常水深h0=hk，均匀流为临界流。小结