渠道为临界坡.ppt

【学习重点】 1. 明渠均匀流水力计算； 2. 明渠水流三种流态的判别； 3. 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算； 4. 水跃的基本特性。 一、断面单位能量（断面比能） 图 断面单位能量 z0 h cosθ h z z0 θ 0 0 v Q 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: 图 断面单位能量 z0 h cosθ h z z0 θ 0 0 v Q 当底坡θ（6°）较小的渠道，cosθ≈1，则 式中，E s 为断面比能（断面单位能量） E和Es两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关； E在沿水流方向总是减少的， Es沿水流方向有可能增大也可能减小，也有可能不变。 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 比较 当Q、渠道断面形状一定时，以h为纵坐标，Es为横坐标，绘制Es ～h关系曲线。 h Es min h k Es 当h很小， ，曲线接近E轴; 当h很大，动能项 曲线以450线（Es =h）为渐近线。 可忽略， 当渠中流量一定时，流动有两种可能：一是水深h大，即势能部分大，动能部分小；另一种可能是h小，即A小，流速大， Es中动能部分大。 从图中看出，断面单位能有一极小值Esmin。当断面单位能取得极小值时，其对应的水深称为临界水深，以hk表示。 图中看出：Es随h而变化，在hhk和hhk的范围内有不同的规律。 hhk的曲线上支， Es与h的变化一致， Es随h增加而增加， ，此时水流特点是水深大，流速小，称为缓流。 hhk的曲线下支，Es随h减小而增大， ， Es与动能的变化 一致，此时水流水深小， 流速大，被称为急流。 缓流 急流 h Es min hk Es 临界流 以hk为界， Es随h的变化有不同规律，所以要知道Es随h的变化必须先判别水深是大于hk，还是小于hk. h Es min h k 二、临界水深的计算： 用求极值的方法。令 计算临界水深。 当Q＝常数时， 过水断面A由于水深h变化而引起的变化率，等于水面 宽度B， 令 ， 此时水深为hk，过水断面用Ak表示，水面宽度采用Bk表示， 有 Ak,Bk均为hk的函数，由上式可求出hk. h Es min h k 当渠道横断面为矩形，Ak=bhk，Bk=b,　则 则　 为单宽流量。 矩形断面，临界水深可由 直接求出。 其他形状断面，计算临界水深时利用有关图表来查出。 三、河渠水流流态及判别： 明渠非均匀流有三种液态：急流、缓流、临界流。 缓流发生在底坡平坦的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中，水流液态徐缓； 急流多发生在陡坡、瀑布、险滩中，水流液态湍急的地方。 急流：水浅流急的水流，明渠水流流速大于临界流速，v＞vk。 缓流：水深流缓的水流，明渠水流流速小于临界流速，v＜vk。 临界流：明渠水流流速等于临界流速，v＝vk。 判别方式有三种： 1．将水深与临界水深相比较，hhk为缓流；hhk为急流；h=hk为临界流。 2．应用无因次弗劳德准数（Fr）来判别. 令 则 若　Fr1，则 ，Es随h增加而减小，为急流； 若　Fr=1，则 ，Es为极小值，为临界流； 若 Fr1，则 ，Es随h增加而增大，为缓流。 3、临界底坡来判别： 临界水深和弗劳德准数可以判断均匀流和非均匀流的流态。 均匀流也可以采用临界底坡对流态进行判断。 正常水深（h0）和临界水深（hk）。 正常水深指的是均匀流的水深，沿流程水深不变。 在断面形状、尺寸和壁面粗糙度一定、流量一定的棱柱形渠道中，均匀流的水深即正常水深h0的大小取决于渠道的底坡i， 不同的底坡i有相应的正常水深h0，i越大h0越小。 若正常水深正好等于该流量下的临界水深，相应的渠道底坡称为临界底坡，以符号ik表示，即h0＝hk，i=ik i＜ik，渠道为缓坡，均匀流是缓流； 　　　i＞ik，渠道为急坡或陡坡，均匀流是急流； 　　i＝ik，渠道为临界坡，均匀流是临界流； §5－5　水跌和水跃 水跌和水跃是在明渠水流流态改变时形成的明渠急变流。 一、水跌（缓流向缓流的过渡） 明渠水流由缓流转变为急流时将出现水跌，此时水面急剧降落，经过临界水深转变为急流。 水跌可发生在坝顶溢流处，渠道出口有跌坝处，渠道底坡突然改变处。 二、水跃（急流向缓流的过渡） 水流由急流向缓流转变时发生的水力现象。这时水面突然跃起，水深急剧增加，并伴随着激烈的表面漩涡在水跃区内。 从急流过渡过缓流，必定经过水跃，所以只要能确定上游为急流，下游为缓流，就一定会发生水跃现象。 工程中常用水跃作为一种消能措施，通过水跃