明渠恒定流(土木)_附件.ppt

第七章 明渠恒定流 §1 概述 §2 明渠均匀流特性及水力计算 §3 明渠均匀流水力计算中的几个问题 §4 明渠恒定非均匀流的基本概念 §5 明渠非均匀急变流—水跃与水跌 §6 明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程 §7 棱柱体渠道恒定非均匀渐变流水面曲线定性分析 §8 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线定量计算 教学基本要求 1、了解明渠水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明渠底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。 2、了解明渠均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明渠均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。 3、理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率n值。 4、掌握明渠均匀流水力设计的类型和计算方法，能进行过流能力和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。 思考 明渠横断面与过水断面有何区别? 7.2 明渠均匀流特性及水力计算 二、 明渠均匀流水力计算的基本公式 三、明渠均匀流水力计算的基本类型 7.3 明渠均匀流水力计算的几个问题 7.4 明渠恒定非均匀流的基本概念 7.4.1 明渠水流的三种流态 1、微波干扰波波速 7.4.2 断面比能 7.5????水跃及水跌现象 定义：缓坡中的水流因下游渠底变陡或渠身断面突然扩大，水面突然跌落。这种由缓流向急流过渡的水面突然跌落的局部水力现象称为水跌。 如图，缓坡渠道后接一陡槽，水流经过连接断面时的水深可以认为是临界水深，水跌发生流态转换时，在转换处通过临界水深，但水面是连接面，不同于水跃表面漩滚形成的不连续面。水流在跌坎上自由跌落的水力现象，水流是以水舌形式通过跌坎下跌，跌坎上游是缓流，而坎后水舌是急流，跌坎前后发生流态转变，跌坎处是临界水深。 缓流 急流 4、水跃方程的实验验证 水跃的共轭水深计算是以水跃方程为依据的。在推导该理论方程时，曾作过一些假定。这些假定是否正确，有待实验来证明。 闸、坝等泄水建筑物下游的消能段多为矩形。因此,矩形明渠的水跃计算具有十分重要的意义。百多年来，许多国家对棱柱体矩形水平槽中的水跃进行了广泛的实验研究，并积累了丰富的实验资料。现以其中最完善的资料对水跃方程进行验证。 5、棱柱体水平明渠中水跃的能量损失 （1）水跃能量损失机理简述 水跃的运动要素变化得很剧烈。从断面上流速分布图中可以看出，水流运动要素的急剧变化，特别是很大的紊流附加切应力使跃前断面水流的大部分动能在水跃段中转化为热能而损失掉。 跃后断面2－2处，流速的分布还是很不均匀的。同时，该处的紊流强度也远较一般渐变紊流的为大。虽然在断面2－2下游不远的断面c－c处，流速分布已与渐变紊流的相近,但紊流强度仍大。 断面3－3处。紊流强度才基本恢复正常。断面2－2与断面3－3之间的流段称跃后段。其长度Ljj约为（2.5-3.0）。在跃后段中,紊流的附加切应力仍较大。 对水跃的跃前和跃后断面应用能量方程即可导出水跃段水头损失Ej的计算公式。 由能量方程导出的棱柱体水平明渠的Ej的计算公式： （2）水跃段水头损失的计算 随着Fr1的增加而增大 棱柱体矩形水平明渠的Ej的计算公式： 式中 近似地令h3= h2，v3= v2及 ＝1， （3）跃后段水头损失的计算 棱柱体水平明渠跃后段的水头损失公式： 棱柱体矩形水平明渠地Ejj的计算公式： （4）水跃总水头损失和水跃段水头损失的 近似计算 水跃总水头损失E是指水跃段与跃后段水 头损失之和 棱柱体水平明渠E的计算公式为： 棱柱体矩形水平明渠的E的计算公式： 水跃段损失占总水头损失的百分比： 随着Fr1的增加而增大 消能系数Kj越大则水跃的消能效率越高 水跃的消能效率 水跃段水头损失Ej或水跃总水头损失E与跃前断面比能E1 之比称为水跃消能系数，以符号K 表示，则 棱柱体矩形水平明渠的消能系数计算公式： 6、棱柱体水平明渠中水跃跃长的确定 在完全水跃的水跃段中，水流絮动强烈，底部流速很大。因此，除非河、渠的底部为十分坚固的岩石外,一般均需设置护坦加以保护。此外，跃后段的一部分范围内也需要铺设海漫以免底部冲刷破坏。由于护坦和海漫的长度都与完全水跃的跃长有关，故跃长的确定问题具有重要的实际意义。 水跃运动非常复杂,迄今还没有一个比较完整的、可供实际应用的理论跃长公式。在工程设计中多采用经验公式来确定跃长。 系数C为Fr1的函数，其公式为： (1)矩形明渠的跃长公式 跃长公式的另一种形式： 式中：B1及B2分别表示水跃前后断面处的水 面宽度 (二)梯形明渠的跃长公式 最后指出： 1、由于水跃段中水流的强烈絮动，因此水跃长度也是脉动的。以上各跃长公式所给出的完全都是水跃