水力学教案——明渠恒定均匀流.doc

PAGE

PAGE2

第六章明渠恒定均匀流

第一节明渠水流的特点

一、明渠水流的特征

明渠水流：当液体通过渠槽而流动时，形成与大气相接触的自由表面。为无压流。

分为恒定流与非恒定流，分为均匀流与非均匀流。

二、明渠的几何性质

1、明渠的横断面

梯形、矩形、圆形等断面。

边坡系数：,即水平长度与垂直长度的比值。m与土的种类或护面情况而定。

梯形断面的水力要素：水面宽度；过水面积；宽深比；湿周；水力半径；平均水深。

矩形断面m=0，是梯形断面的特例。

棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲的渠道。

非棱柱体渠道：断面形状、尺寸或底坡改变的渠道。

2、明渠的底坡

底坡：明渠渠底纵向倾斜程度。用i表示，。

顺坡：i0;平坡：i=0；逆坡：i0。

只有在顺坡渠道中，重力才可能与阻力相平衡，才能形成均匀流。

第二节明渠均匀流的基本特征和产生条件

一、明渠均匀流的基本特征

由于明渠均匀流的流线是相互平行的直线，从而有下列特性：

1．过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变；2.过水断面的流速分布、断面平均流速沿程不变，动能修正系数及流速水头也沿程不变；3.总水头线、水面线及底坡线相互平行，即。

注意：水深的量取应垂直于底坡。当底坡较小时，水深可用铅垂方向的值代替；渠道长度也可用水平方向的投影长度代替。

二、明渠均匀流的产生条件

1．恒定流；2.流量沿程不变；3.长而直的棱柱体顺坡明渠；4.渠道中无局部干扰。

一般来说大多数渠道中的水流都是非均匀流。

第三节明渠均匀流的水力计算

一、明渠均匀流的基本公式

连续方程：；谢才公式：，则：

式中，为流量模数，反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。

正确选择粗糙系数是使用均匀流公式的关键。

二、明渠均匀流的计算类型

梯形渠道，，六个变量，其中m,n由渠道护面材料决定，不需计算。其它四个变量，只要已知其中任三个即可求另外一个。

1、已知b,m,h,n,及i，求Q直接计算。

2、已知b,m,h,n,及Q，求i直接计算。

3、已知b,m,Q,n,及i，求h试算（Q是h的增函数）。

4、已知h,m,Q,n,及i，求b试算（Q是b的增函数）。

第四节明渠均匀流水力计算中几个问题

一、水力最佳断面与实用经济断面

水力最佳断面：流量一定时面积最小，或面积一定时流量最大。

根据均匀流公式：，

水力最佳断面对应于湿周最小或水力半径最大的断面。半圆形是水力最佳断面。

梯形断面：A=常数；=最小值。即：

；

消去db/dh后，得：，仅与边坡系数m有关。

从而：即梯形水力最佳断面的水力半径是水深的一半。

矩形断面m=0,则：，即：，。

矩形或梯形水力最佳断面实际上是半圆的外切多边形断面。

注意：水力最佳断面不是最经济的断面。

二、渠道的允许流速

1．渠道中流速应小于不冲允许流速；

岩质渠道的不冲流速，表6-6；

土质渠道的不冲流速，表6-7。

2.渠道中流速应大于不淤允许流速。

（1）避免水草滋生

流速应大于0.5m/s。

（2）防止结冰

流速应大于0.6m/s。

（3）防止泥沙淤积

——与泥沙性质有关系数。一般粗颗粒泥沙，；中颗粒泥沙，；细颗粒泥沙，；极细颗粒泥沙，。