《明渠恒定流》教学课件.ppt
明渠恒定流水利工程基础理论探索水流运动规律工程应用实例分析
明渠流的基本概念明渠定义具有自由水面的开放水流通道与管道流区别明渠有自由水面,管道完全充满应用领域灌溉渠系,排水系统,河道整治
明渠的分类按断面形状分类矩形、梯形、抛物线形、复合断面按渠道衬砌分类土渠、混凝土渠、砌石渠、生态渠道按流动状态分类层流、湍流、过渡流态
恒定流与非恒定流恒定流定义任一点水流参数不随时间变化非恒定流实例洪水波、闸门操作引起的水流变化工程意义简化计算,为水利工程提供基础
明渠流动的主要特征自由水面接触大气,表面压力恒定大气压作用水面受大气压力影响湍流/层流判别雷诺数Re2000为湍流
基本假设与简化条件水体连续性水为连续均质体1均匀介质水密度恒定2无渗漏侧壁和底床无渗漏3水流稳定断面流态稳定4
渠道常见断面形式渠道断面形状选择取决于地形条件和用途需求
主要水力参数液面宽度B水面宽度,影响蒸发量水深h与底宽b影响流量和流速横断面积A决定流量计算基础湿周P与水接触的渠道周长
水力半径与水力坡度水力半径概念断面积与湿周之比:R=A/P简化的几何特征参数计算公式矩形:R=bh/(b+2h)梯形:参考计算公式坡度定义能量线(水面)的纵向降坡影响流速和流量
流速、流量与体积流量流速单位米/秒(m/s)体积流量定义每秒通过断面的水量流速影响因素糙率、坡度、水力半径
恒定流基本公式概述能量方程伯努利方程应用连续方程Q=AV=常数动量方程力与动量变化关系
明渠流动的连续方程1质量守恒原理水流不会凭空产生或消失2数学表达Q=A?V?=A?V?3应用实例渠道缩窄处流速增加
明渠流动的能量方程位置水头z表示高程压力水头h表示水深速度水头v2/2g表示动能总水头H=z+h+v2/2g
能量损失与水头损失沿程损失河床摩擦引起的能量损失局部损失弯道、收缩、扩张处损失水跃损失急流转缓流时的能量耗散
曼宁公式的提出糙率n值流速变化V=(1/n)·R^(2/3)·I^(1/2)适用于湍流状态下的明渠恒定流
切应力与糙率系数底床摩阻水流与边界摩擦糙率影响表面粗糙度增大切应力实测方法流量实测反推糙率校准应用工程设计参数调整
切应力与流速分布0.060植被河床n值茂密水草覆盖0.025砌石渠道n值普通石块砌筑0.013混凝土渠n值光滑混凝土表面糙率直接影响底床切应力和流速分布
各类断面的流量公式断面形式流量计算公式矩形Q=(1/n)·b·h·R^(2/3)·I^(1/2)梯形Q=(1/n)·A·R^(2/3)·I^(1/2)圆形Q=(1/n)·A·R^(2/3)·I^(1/2)
糙率系数影响因素河床材质石块、砂土、黏土、混凝土植被覆盖水草、藻类影响流动阻力河床形态弯曲度、起伏变化、断面变化季节变化植被生长周期影响糙率
明渠均匀流判别条件水面坡度等于河床坡度等于能量线坡度水深特征沿程水深保持不变速度特征平均流速沿程不变工程意义渠道设计基础
非均匀流与缓急流非均匀流断面水深沿程变化缓流Fr1,水深大于临界水深急流Fr1,水深小于临界水深临界流Fr=1,能量最小
坡度分类水力坡度J能量线的纵向坡度影响流速与流量临界坡Jc正好形成临界流的坡度Fr=1缓坡J水深随下游条件变化急坡JJc,形成急流水深随上游条件变化
速度分布及量测垂线法多点测速仪沿水深布置浮标法表面浮标推算平均流速激光测速非接触式多普勒测速声学测速ADCP声学多普勒流速剖面仪
典型渠段的速度分布图矩形渠道最大流速在水面以下0.2h处梯形渠道流速沿宽度呈抛物线分布圆形渠道流速分布受充满度影响
糙率系数取值案例
均匀流断面的水力计算已知Q计算h设断面形式、坡度、糙率,计算水深已知h计算Q代入曼宁公式直接求解断面优化满足水力最优条件的断面设计现场检验工程实测与理论计算对比
坡度公式应用实例坡度设计J=(Q·n)2/(A2·R^(4/3))已知流量设计坡度渠道纵断面设计是水利工程的关键步骤
明渠流的流态划分雷诺数判别Re=VR/ν弗劳德数判别Fr=V/√(gh)冲刷判别临界切应力判别水流稳定性水波传播速度判别
明渠流的能量线与水面线1能量线定义总能量水头连线2水面线自由水面的高程曲线3相互关系能量线=水面线+速度水头4工程意义防洪设计参考线
临界流条件及标准能量最小原则单位流量能量最小弗劳德数=1Fr=V/√(gh)=1缓急流分界临界状态是流态转换点
临界水深的确定方法能量最小法E=h+Q2/(2gA2)最小推导公式A3/B=Q2/g(矩形渠道)图解法根据h-E关系曲线确定迭代求解复杂断面数值方法
水面线与能量损失关系桥涵工程设计桥墩收缩、漫水桥壅水高度计算能量损失类型沿程损失:摩擦阻力局部损失:形状变化
水跃的基本原理水跃概念急流突变为缓流的跃水现象水跃类型完全水跃、不完全水跃能量