工程流体力学放映10章.课件.ppt

1、2022-5-3112022-5-312掌握明渠均匀流产生的条件、特征、水力计算；掌握明渠均匀流产生的条件、特征、水力计算；掌握明渠渐变流的特征，断面单位能量、临界水深、掌握明渠渐变流的特征，断面单位能量、临界水深、 临界底坡计算，急流与缓流的判别。临界底坡计算，急流与缓流的判别。学习重点学习重点2022-5-313 理解闸孔出流计算理解闸孔出流计算掌握宽顶堰水力计算掌握宽顶堰水力计算另外还应理解水跃现象及其基本方程，会定性分析另外还应理解水跃现象及其基本方程，会定性分析 棱柱形渠道中非均匀渐变流水面曲线棱柱形渠道中非均匀渐变流水面曲线 。2022-5-314（1 1）具有自由液面；）具有自由

2、液面； （2 2）湿周是不封闭的曲线；）湿周是不封闭的曲线；（3 3）依靠重力由高处向低处流。）依靠重力由高处向低处流。明渠明渠是一种具有自由表面液流的渠道。是一种具有自由表面液流的渠道。一、明渠流特征：一、明渠流特征：2022-5-315二、特点：二、特点：（4 4）与其它建筑物交叉时，采取措施较复杂。）与其它建筑物交叉时，采取措施较复杂。（1 1）可沿地势修建，故较简单；）可沿地势修建，故较简单；（2 2）比较经济（不用动力）；）比较经济（不用动力）； （3 3）易受外界影响（易蒸发、结冰、污染等）；）易受外界影响（易蒸发、结冰、污染等）；2022-5-316（1 1）天然明渠）天然明渠（

3、2 2）人工明渠）人工明渠1 1、据明渠的形成条件：、据明渠的形成条件：三、明渠分类：三、明渠分类：过流断面为不规则图形。过流断面为不规则图形。如：天然形成的江、河、湖、海。如：天然形成的江、河、湖、海。过流断面为规则图形。过流断面为规则图形。2022-5-3172 2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：（1 1） 棱柱形渠道棱柱形渠道 A = f (h)A = f (h) ；（2 2）非棱柱形渠道）非棱柱形渠道 A = f (hA = f (h，s)s)2022-5-3183 3、按过流断面的几何形状：、按过流断面的几何形状：（1 1）规则形渠

4、道）规则形渠道（2 2）不规则形渠道）不规则形渠道如矩形、圆形、梯形等如矩形、圆形、梯形等天然渠道天然渠道2022-5-319v vv vv v（1 1）顺坡渠道）顺坡渠道（2 2）平坡渠道）平坡渠道（3 3）逆坡渠道）逆坡渠道i i 0 0i i = 0 = 0i i 0 2 2 过流断面的水深过流断面的水深 h h1 1hh2 2 铅垂水深。铅垂水深。 h1h22022-5-31125 5、按流动是否恒定：、按流动是否恒定：（1 1）明渠恒定流；）明渠恒定流；（2 2）明渠非恒定流。）明渠非恒定流。6 6、按流动是否均匀、按流动是否均匀：（1 1）明渠均匀流；）明渠均匀流；（2 2）明渠非

5、均匀流。）明渠非均匀流。2022-5-3113明渠明渠暗渠暗渠一般用来输送清水。一般用来输送清水。一般用来输送污水。一般用来输送污水。四、适用范围：四、适用范围：2022-5-3114（2 2） J J = J= JP P = i= i 。（1 1）h h、 v v、 u u、 A A（断面尺寸）、形状沿程不变；（断面尺寸）、形状沿程不变；恒定明渠均匀流恒定明渠均匀流水深、断面平均流速、流速分布水深、断面平均流速、流速分布 等都沿程不变的明渠流。等都沿程不变的明渠流。10101 1 恒定明渠均匀流恒定明渠均匀流 一、特性及发生条件一、特性及发生条件1 1、水力特性：、水力特性：i iJpJpJ

6、 Jvv2 22g2g2022-5-3115（1 1）水流恒定；）水流恒定；（5 5）沿程无局部阻力。）沿程无局部阻力。（2 2）渠道为长直棱柱形、顺坡渠道；）渠道为长直棱柱形、顺坡渠道；（3 3）底坡）底坡 i i 沿程不变；沿程不变；（4 4）粗糙系数）粗糙系数 n n 沿程不变；沿程不变；2 2、形成条件：、形成条件： 在实际工程在实际工程中，大多都属于中，大多都属于非均匀流，但在非均匀流，但在一定的条件下，一定的条件下，可将某段流动近可将某段流动近似地视为均匀似地视为均匀流，以简化计流，以简化计算。算。2022-5-31161 1、流速：、流速：RJCv 2 2、流量：、流量：JKRJ

7、AcAvQ二、基本公式二、基本公式谢才公式谢才公式K K流量模数流量模数RAcK 用用 h h0 0 表示表示发生明渠均匀流时的水深。发生明渠均匀流时的水深。3 3、正常水深、正常水深输水能力输水能力 在一定的正常水深时通过的流量。在一定的正常水深时通过的流量。2022-5-31171 1、水力最优断面：、水力最优断面：分析：分析：三、水力最优断面和允许流速三、水力最优断面和允许流速 Q Q = = f f ( ( 断面尺寸，形状，断面尺寸，形状，n n，i i ) )，而而 i i 一般可据一般可据地势而定，地势而定，n n 可可据材料而定。据材料而定。 Q Q = = f f ( ( 断面

8、尺寸，形状断面尺寸，形状 ) )2022-5-31181 1 当当 n ,n , i i 一定时，使渠道通过流量最大的一定时，使渠道通过流量最大的 断面形状即断面形状即 水力最优断面水力最优断面。2 2 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。断面面积一定时，流量最大为最佳。断面面积一定时，流量最大为最佳。流量一定时，断面面积最小为最佳；流量一定时，断面面积最小为最佳；2022-5-31193/22/13/56/11xiAnRinRAQ（1 1）最优断面推导）最优断

9、面推导曼宁公式曼宁公式当当 n n、i i、A A 一定时，一定时，x x 最小，可使最小，可使 Q Q 最最 大，从理论上分析，此时的过流断面应大，从理论上分析，此时的过流断面应 为为圆形圆形，但因圆形断面施工困难，平日，但因圆形断面施工困难，平日 维护不便，故一般多采用维护不便，故一般多采用梯形梯形断面。断面。2022-5-3120)1(22mmhb-+=bBh（2 2）梯形断面水力最优条件：）梯形断面水力最优条件：m = ctgm = ctg只与只与 m m有关。有关。m m 边坡系数。边坡系数。2022-5-3121（3 3）注意：）注意： 水力最优只是从水力学角度考虑，水力最优只是从

10、水力学角度考虑， 在实际在实际 工程中还应考虑工程造价、施工技术、运转费工程中还应考虑工程造价、施工技术、运转费用、养护管理等，用、养护管理等， 诸多方面的因素从而选择诸多方面的因素从而选择 经济合理的断面。经济合理的断面。 2022-5-3122 渠道既不遭冲刷，又不产生淤积的设计流速。渠道既不遭冲刷，又不产生淤积的设计流速。 渠道设计除考虑水力最优、最经济外，渠道设计除考虑水力最优、最经济外，还应考虑渠道的防冲刷和防淤积能力，以保还应考虑渠道的防冲刷和防淤积能力，以保证液体流动畅通，不影响其输水能力。证液体流动畅通，不影响其输水能力。2 2、渠道允许流速、渠道允许流速2022-5-3123

11、即：即： v vminmin v v v vv vm m ax ax ，或，或 v vv 3 在在 k kh h 曲线上查找与对应的曲线上查找与对应的 h h 。 方法方法 ：1 1 据据作作 k kh h 曲线；曲线；KRAc=2 2 据已知条件得出据已知条件得出 ：iQk0（1 1） b b 已定，已定，h h 待定待定 。 h hh h0 0k k0 0k kk k h h 线线2022-5-3130（2 2）h h 已已 定，定，b b 待定。待定。方法同（方法同（1 1）。）。（3 3） 已定，求相应的已定，求相应的 b b ， h h 。=b bh h1 1 对小型渠道：对小型渠道

12、： 可按水力最优计算可按水力最优计算 。 )1(22mmhb2 2 对大中型渠道：对大中型渠道： 还应考虑经济条件。还应考虑经济条件。方法：方法：2022-5-3131方法：方法：（4 4） 据据 v vm m ax ax 设计设计 b, hb, h 。A =( b + m h )hA =( b + m h )hR =R =A A x x2/32/1maxivnR maxvQA 2 2 计算：计算：联立即可求联立即可求得得 b b， h h 。1 1 先找出过流断面各先找出过流断面各 要素之间的关系：要素之间的关系：2022-5-3132五、圆形断面水力最优计算五、圆形断面水力最优计算可按明渠

13、均匀流基本公式计算。可按明渠均匀流基本公式计算。1 1、无压圆管各水力要素之间的关系、无压圆管各水力要素之间的关系（ p p6767）。）。hd充满角充满角充满度。充满度。2022-5-3133（1 1） 当当=1 =1 时，时， 为满管流动；为满管流动；（2 2） 当当 500mmd 500mm： v vminmin=0.8m/s=0.8m/s d 500mmd 500mm： v vminmin=0.7m/s=0.7m/s。可参阅有关手册与规范。可参阅有关手册与规范。2022-5-3143六、复式断面明渠均匀流水力计算六、复式断面明渠均匀流水力计算 Q Q 1 1Q Q 2 2Q Q 3 3

14、特性：特性：2 2 各部分的湿周仅各部分的湿周仅 考虑水流与固体考虑水流与固体 壁面接触的周界。壁面接触的周界。1 1 J J1 1 = J = J2 2 = J = J3 3ikkkQQQQ)(3213212022-5-31441 1、非均匀流的产生及特征：、非均匀流的产生及特征：10-2 10-2 恒定明渠（非均匀）流的流恒定明渠（非均匀）流的流 动型态和若干基本概念动型态和若干基本概念（1 1）产生：）产生：1 1 人为因素人为因素在渠道上建桥、设涵、修坝等水在渠道上建桥、设涵、修坝等水 工建筑，会破坏发生均匀流的条工建筑，会破坏发生均匀流的条 件，从而产生非均匀流。件，从而产生非均匀流

15、。2022-5-31451 1 v v、h h 、u u 沿程改变，水面线一般为曲线；沿程改变，水面线一般为曲线； 2 2 J J J Jp p i i。2 2 自然因素自然因素河渠受大自然作用，过流断面、底河渠受大自然作用，过流断面、底 坡发生改变，产生非均匀流。坡发生改变，产生非均匀流。（2 2）特征：）特征：2022-5-31462 2、分类：、分类：（1 1） 渐变流渐变流（2 2） 急变流急变流1 1 分析水面曲线；分析水面曲线；22沿程水深计算。沿程水深计算。h h 沿程无突变，流线近似平行直线，沿程无突变，流线近似平行直线，过流断面压强分布过流断面压强分布 符合静水压强分布。符合

16、静水压强分布。h h 沿程急剧改变，流线间夹角很大。沿程急剧改变，流线间夹角很大。明渠非均匀明渠非均匀流要解决的流要解决的问题：问题：2022-5-3147 c c v v缓流缓流明渠流的两种流动型态明渠流的两种流动型态一、缓流和急流一、缓流和急流1 1、缓流、缓流 若障碍物对水流的干扰可向上游传若障碍物对水流的干扰可向上游传 播，则为缓流。播，则为缓流。有：有： v cv cv c主要发生在底坡陡峻，主要发生在底坡陡峻，水流湍急的河渠中。水流湍急的河渠中。明渠流的水面线型与明渠流的水面线型与流态有关，故分析水流态有关，故分析水面线应先判断流态。面线应先判断流态。2022-5-3149二、明渠

17、流流动型态判别标准二、明渠流流动型态判别标准弗汝德数弗汝德数2 2、弗汝德数、弗汝德数 F Fr r hgvFrhgvcvc/1 1、微波的绝对波速、微波的绝对波速（自阅）（自阅）反映了反映了惯性力惯性力与与重力重力之间的关系。之间的关系。2022-5-3150（3 3）急流：）急流： F Fr r 1 1。（1 1）临界流：）临界流： F Fr r =1=1；（2 2）缓流：）缓流： F Fr r 1 cv c 时，时，c c 恒为正，干扰波只向下游传，为恒为正，干扰波只向下游传，为急流急流；当当 v c v 2 H H 总是沿程下降，但总是沿程下降，但 E E 却不一定。却不一定。1 1

18、概念不同概念不同 E = HE = H a a ；因因 z z 不固定不固定2022-5-3154见下页见下页)(22222hfgAQhgvhE依据：依据：（4 4）E E与与 h h 的关系曲线：的关系曲线：2022-5-3155hkEminhEE1=h2222gAQE E=E1+ E23 E=E3 E=E1 1+ E+ E2 2 = = 势能势能 + +动能。动能。2 22 22 2gAgAQ Qa a2 h02 h0， A0A0， EE；1 h1 h， AA， EhEh； 2022-5-3156（ 5 5 ）关系曲线分析：）关系曲线分析：0dhdE1 1 上支：上支：缓流缓流 E E 随

19、随 h h 的增加而增加。此时，势能（的增加而增加。此时，势能（E E1 1）占主）占主导地位，导地位，E E 的变化主要表现在的变化主要表现在 的变化。这种水流的变化。这种水流遇到局部干扰时，表现为水位的遇到局部干扰时，表现为水位的壅高或降低壅高或降低。2022-5-31570dhdE2 2 下支：下支：急流急流3 3 分界点：分界点： 临界流临界流 E E 随随 h h 的减小而增加。此时，动能（的减小而增加。此时，动能（E E2 2） 占主导地位，占主导地位，E E 的变化主要表现为的变化主要表现为 v v 的变化。的变化。 这种水流遇到局部干扰时，表现为水位的局这种水流遇到局部干扰时，

20、表现为水位的局 部隆起。部隆起。2022-5-31582 2、临界水深、临界水深 h hcrcr（1 1）临界水深计算式：）临界水深计算式：0)2(22gAQhdhddhdE由：由：crcrBAgQ32得：得：对应断面单位能量最小的水深。对应断面单位能量最小的水深。dhdA其中：其中：表示过流断面面表示过流断面面积随水深的变化积随水深的变化率，可近似的以率，可近似的以水面宽度水面宽度 B B 代替。代替。2022-5-3159 当给定渠道流量、断面形状和尺寸时，就当给定渠道流量、断面形状和尺寸时，就可由上式求得可由上式求得 h hcrcr 值。值。由此可知由此可知：h hcrcr与断面形与断面

21、形状、尺寸及状、尺寸及 流量有关流量有关； h h0 0与与 i i ，n n 有关有关。2022-5-3160（2 2）h hcrcr 的求解方法：的求解方法：h hB BA A3 3Q Q2 2g gh hcrcrh hB BA A3 3试算试算作图作图32gqhcra=对矩形断面：对矩形断面：2022-5-31613 3、临界底坡、临界底坡 i icrcr正常水深恰好等于临界水深时的渠底坡度。正常水深恰好等于临界水深时的渠底坡度。既满足既满足均匀流均匀流关系式关系式又满足又满足临界流临界流关系式关系式crcrcrcriRCAQ crcrBAgQ32即：即：计算式：计算式：crcrcrcr

22、BCgxi22022-5-3162临界坡临界坡 i = i i = icrcr 缓坡缓坡 i i i i i icrcr4 4、缓坡、急坡、临界坡、缓坡、急坡、临界坡2022-5-3163四、判别流动型态的标准四、判别流动型态的标准1 1、缓流：、缓流：F Fr r 1hhh cr cr；i ii icrcr ；v vv v cr cr ； v c v 0 0F Fr r= 1= 1；h= hh= h cr cr；i = ii = icrcr ；v = vv = v cr cr ；v = cv = c；dEdEdhdh 0 0dEdEdhdh 0 1 1；hhh ii icrcr ； v vv

23、 v cr cr；v c v c ；2 2、急流：、急流：3 3、临界流：、临界流：2022-5-316410103 3 水跃和跌水水跃和跌水一、水跃一、水跃1 1、水跃现象：、水跃现象： 明渠流从急流状态过度到缓流状态时，明渠流从急流状态过度到缓流状态时， 水面突然跃起的局部水力现象。水面突然跃起的局部水力现象。（1 1） 水跃：水跃：2022-5-3165（2 2）发生原因：）发生原因： 由水深较小的急流受到下游水深较大的缓流由水深较小的急流受到下游水深较大的缓流阻挡，迫使局部水流强烈混掺，流速骤降，阻挡，迫使局部水流强烈混掺，流速骤降， 急流急流的动能大量消耗，剩余动能在局部渠段内，急剧

24、的动能大量消耗，剩余动能在局部渠段内，急剧转为势能，由此引起局部水位急剧升高，呈水跃转为势能，由此引起局部水位急剧升高，呈水跃现象。现象。 2022-5-3166h h/ / h h/ 漩涡区漩涡区（3 3） 水跃图示：水跃图示：缓流区缓流区主流区主流区急流区急流区 上部为上部为旋涡区旋涡区，下部为，下部为主流区主流区。此两部分的。此两部分的质点不断相互混掺，进行能量交换。故水跃可以引起质点不断相互混掺，进行能量交换。故水跃可以引起大量的能量损失，通常可作为一种消能的措施。大量的能量损失，通常可作为一种消能的措施。2022-5-3167（4 4） 水跃的形式：水跃的形式： 1 1 完整水跃完整

25、水跃跃前水深与跃后水深相差显著跃前水深与跃后水深相差显著 的水跃。的水跃。3 3 波状水跃波状水跃无表面翻滚的水跃。如小桥涵过水。无表面翻滚的水跃。如小桥涵过水。2 2 自由水跃自由水跃纯属缓流水体阻挡造成的水跃。纯属缓流水体阻挡造成的水跃。完整水跃完整水跃的一些规律常的一些规律常可作为某些水跃计算的依据，故在可作为某些水跃计算的依据，故在此着重讨论之。此着重讨论之。2022-5-31682 2、水跃方程：、水跃方程：（1 1）几点假设：）几点假设：1 1 水跃段摩擦阻力忽略不计；水跃段摩擦阻力忽略不计；2 2 跃前及跃后断面为渐变流过流断面；跃前及跃后断面为渐变流过流断面；3 3 动量修正系

26、数相同，即动量修正系数相同，即 1 1=2 2= = 1= = 1；4 4 平坡渠道，重力在流动方向上无分量。平坡渠道，重力在流动方向上无分量。2022-5-3169（2 2）方程的推导依据：）方程的推导依据：)()(11222211vvQAyAycc动量方程：动量方程：11222022-5-3170（3 3） 完整水跃方程式：完整水跃方程式：当当 Q Q 一定时，完整水跃方程式为一定时，完整水跃方程式为 水深的函数，故可改写成函数式。水深的函数，故可改写成函数式。2222121121gAQAygAQAycc2022-5-3171gAQAyhJc20)(令：令： 则有：则有：J J（h h/

27、/）=J=J（h h/）水跃函数水跃函数（4 4）水跃函数：）水跃函数：2022-5-3172（5 5）J J（h h）随随 h h 变化曲线：变化曲线：如图如图45450 0E E, , J Jh hh hk kE E minminJ J minminE=f(h)E=f(h)J = f (h)J = f (h)2022-5-3173（6 6）对比：对比：J J（h h） h hE E（h h） h h与与上支上支缓流；缓流；下支下支急流。急流。1 1 曲线形状相似；曲线形状相似；2 2 在同一水深在同一水深 h hk k 时具有最小值；时具有最小值；45450 0E E, , J Jh hh

28、 hk kE E minminJ J minminE=f(h)E=f(h)J=f (h)J=f (h)2022-5-31743 3 作一任意平行作一任意平行 h h 轴的直线，与轴的直线，与 J J（h h） h h曲线相交于两点曲线相交于两点 M M、N N，而，而 M M、 N N 两点分别两点分别对应两个水深对应两个水深 h h/ / 、h h/。 E En n E Em m = = E E 水跃能量损失。水跃能量损失。h h/ / 、h h/ 共轭水深；共轭水深；45450 0E E, , J Jh hh hk kE=f(h)E=f(h)J=f (h)J=f (h)h h，h h”E

29、En nE Em m2022-5-31753 3、共轭水深计算（、共轭水深计算（水跃方程水跃方程） 2222212111gAQAygAQAycc（1 1）任意断面形状：）任意断面形状： 11 试算；试算；2 2 图表图表 ；3 3 作作 J J（h h） h h 曲线曲线 。解题方法解题方法2022-5-3176见式见式10104848， 10104949，10105050， 10105151， 10105252。（2 2）矩形断面：）矩形断面：2022-5-31774 4、水跃的能量损失、水跃长度、水跃的能量损失、水跃长度（1 1）能量损失：）能量损失： 主要集中在主要集中在水跃水跃段，可将

30、此段损失作为段，可将此段损失作为 水跃能量的全部损失。水跃能量的全部损失。)2()2(222222111121gvpzgvpzHHhw2022-5-3178hhhhEEhw 4)(3/对于对于平坡、矩形断面平坡、矩形断面 渠道，有：渠道，有：2022-5-3179（2 2）水跃长度：）水跃长度：L =L = L Lj j + + L L0 0L L0 0 跃后段长度跃后段长度L Lj j 水跃段长度水跃段长度式式10105959式式10105656式式10105757式式101058582022-5-3180（1 1）远驱式水跃：）远驱式水跃：h h” h h0 0 水跃能量由势能转变为动能，

31、水跃能量由势能转变为动能，向下游推移，直到多余势能消失，向下游推移，直到多余势能消失，水位与下游相同为止。水位与下游相同为止。5 5* *、水跃的三种衔接形式：、水跃的三种衔接形式：h h” h h0 0（2 2）临界式水跃：）临界式水跃：h h” 1 水流单位势能的改变水流单位势能的改变 单位动能单位动能 + +单位能量损失改变。单位能量损失改变。33 时，一部分动能转变为势能，故水面降时，一部分动能转变为势能，故水面降落较小，也可能保持不变，甚至会上升落较小，也可能保持不变，甚至会上升（如（如急流急流缓流缓流 ）。）。d d 02 dhdhf f 恒为正值，故恒为正值，故时，时，dzdz

32、0 00vv2 22g2g2022-5-318410105 5 棱柱型渠道中恒定非均匀棱柱型渠道中恒定非均匀 渐变流水面曲线分析渐变流水面曲线分析 可 用 作 水可 用 作 水面 曲 线 定面 曲 线 定性分性分 析。析。1 1、一般表达式：、一般表达式：一、微分方程一、微分方程 2221rFKQidsdh2022-5-31852 2、讨论：、讨论：dsdh（1 1） hhhhcrcr 时，时， F Fr r11，即：水流由小于即：水流由小于 h hcrcr大于大于 h hcrcr 时，发生时，发生水跃水跃； 反之则发生反之则发生跌水跌水。水面曲线与临界水深正交。水面曲线与临界水深正交。202

33、2-5-3186（2 2） 水深水深 h h 的沿程变化与的沿程变化与 i i 有关。有关。1 1 i i 0 0时：时： iFkkdsdhr220113 3 i i0 2 i i=0=0时：时：crrcrriFkkFkQdsdh2222211可按发生均匀流可按发生均匀流 Q Q 2 2 = k= k0 02 2 i iQ Q 2 2 = k = kcrcr2 2 i i cr crKK0 0 均匀流时均匀流时的流量模数。的流量模数。令：令：i i / /= - i (i0)= - i (i 0i 0 （顺坡）：（顺坡）：K KK KN NN Na ab bc c3 3、五种底坡、十二个区：、

34、五种底坡、十二个区：三种坡、八个区三种坡、八个区i ii ii icrcr 急坡急坡2022-5-3188a ac cK K（N N）K K（N N）i ii icrcr 临界坡临界坡（2 2）i = 0i = 0 （平坡）：（平坡）：K KK Kb bc ci = 0i = 0两个区两个区2022-5-3189（3 3） i 0i 0 （逆坡）：（逆坡）：b bc cK KK Ki 0i 0两个区两个区2022-5-3190?000dsdh4 4、分析水面曲线的任务：、分析水面曲线的任务：（1 1）据）据 i i，h h 与与 h h0 0 ，h h 与与 h hcrcr 的关系及的关系及

35、F Fr r 数，确数，确 定水面曲线沿程变化规律，即：定水面曲线沿程变化规律，即：（2 2）指出曲线两端的变化趋势，即极限）指出曲线两端的变化趋势，即极限 情况。情况。2022-5-3191二、定性分析二、定性分析1 1、顺坡渠道、顺坡渠道（i 0i 0）iFkkdsdhr22011基本公式基本公式h h0 0 h hcrcr（1 1）缓坡缓坡（i ii dsdh1 1 h h h h0 0 h hcrcr 时：时：a aI I 型壅水曲线型壅水曲线下游端：与水平线渐进。下游端：与水平线渐进。上游端：与上游端：与 N NN N 线渐进。线渐进。0 0 dsdsdhdh0,0dsdhhh上游端

36、：上游端：以以N NN N为渐进线为渐进线0, 0,0rFidsdhkkkh下游端：下游端：以以水平线水平线 为渐进线为渐进线2022-5-31930 0 2 h h0 0 h h h hcrcr 时：时：下游端：与下游端：与 K KK K 线正交。线正交。上游端：以上游端：以 N NN N 为渐进线。为渐进线。2022-5-31940 0 dsdsdhdh33 h h0 0 h hcrcr h h 时：时：c cI I型壅水曲线型壅水曲线上游端：起源于某一水深上游端：起源于某一水深下游端：与下游端：与 K KK K 线正交线正交2022-5-31950 0 dsdsdhdhh h h hcr

37、cr h h0 0 时时：0 0 h h h h0 0 时时：a a型壅水曲线型壅水曲线b b型降水曲线型降水曲线（2 2）急坡急坡（i i i i crcr ）h h0 0 h dsdsdhdhh hcrcr h h0 0 h h 时时：c c型壅水曲线型壅水曲线2022-5-31961 1 h h h h0 0 = = h hcrcra a型壅水曲线型壅水曲线（3 3）临界坡临界坡（i= ii= icrcr ）h h0 0= h= hcrcr2 2 h h h h hcrcrb b0 0 型降水曲线型降水曲线c c0 0 型壅水曲线型壅水曲线（2 2）h h h h hcrcrb b/ /

38、 型降水曲线型降水曲线（2 2）h h h hcrcrc c/ / 型壅水曲线型壅水曲线3 3、逆坡渠道（、逆坡渠道（ i 0i 1 hhhhcrcr 时，时， 水面曲线的连续性中断，与水面曲线的连续性中断，与K KK K 线正交，发生线正交，发生水跃水跃或或跌水跌水。 3 3 h h 时，时， 水面曲线渐趋水平。水面曲线渐趋水平。2 2 hhhh0 0 时，时， 水面曲线的渐近线为水面曲线的渐近线为N NN N 线。线。2022-5-31101（3 3）a a 、 c c 型曲线在连接型曲线在连接 N NN N 线、线、K KK K 线时，都近乎水平。线时，都近乎水平。（4 4）渠道足够长时

39、，水流可恢复均匀流，水深为正）渠道足够长时，水流可恢复均匀流，水深为正 常水深，水面线为常水深，水面线为N NN N线。线。2022-5-31102（3 3）分析水面线的几何特性、上、下游衔接情况，绘）分析水面线的几何特性、上、下游衔接情况，绘 出曲线。出曲线。（1 1）首先判明渠道类型，确定）首先判明渠道类型，确定 N NN N，K KK K 线的线的 位置。为此，位置。为此， 应先计算应先计算 h h0 0、h hcrcr、i icrcr 。 （2 2）确定控制断面，计算控制断面的水深，按水深所）确定控制断面，计算控制断面的水深，按水深所 在区间判明曲线的类型。在区间判明曲线的类型。2 2

40、、水面线定性分析要点：、水面线定性分析要点：2022-5-31103（1 1）缓坡（包括平坡、逆坡）缓坡（包括平坡、逆坡） 急坡：急坡：3 3、水面曲线衔接的基本规律：、水面曲线衔接的基本规律：产生产生跌水跌水，折变处即，折变处即控制断面控制断面，水深可作为临界水深。水深可作为临界水深。2022-5-31104发生发生水跃水跃1 1 h h/ / h 2 h h/ / = h= ht t 临界水跃临界水跃 3 3 h h/ / h ht t 远驱水跃远驱水跃（2 2）急坡）急坡缓坡（包括平坡、逆坡）：缓坡（包括平坡、逆坡）：2022-5-31105（3 3）缓坡）缓坡缓坡：缓坡： 只只影响上游

41、影响上游，下游依然为均匀流。，下游依然为均匀流。（4 4）急坡）急坡急坡：急坡： 只只影响下游影响下游，上游依然为均匀流。，上游依然为均匀流。（5 5）临界坡中的流动型态，应视其相邻底坡的急、缓）临界坡中的流动型态，应视其相邻底坡的急、缓 而定，如上游相邻底坡为缓坡，应视为缓坡过渡而定，如上游相邻底坡为缓坡，应视为缓坡过渡 到缓坡，只影响上游。到缓坡，只影响上游。2022-5-31106一、分段求和法一、分段求和法 fJidsdE即即 ：任务：任务：求得明渠非均匀渐变流微分方程的解。求得明渠非均匀渐变流微分方程的解。10106 6 恒定明渠非均匀恒定明渠非均匀 渐变流水面曲线计算渐变流水面曲线

42、计算2022-5-31107将微分方程改写成差分方程，将整个流将微分方程改写成差分方程，将整个流动划分成若干微小的流段，在每个流段动划分成若干微小的流段，在每个流段上应上应 用差分方程求解，再逐段累加，得用差分方程求解，再逐段累加，得整个渠道水面线。整个渠道水面线。思路：思路：2022-5-311081 1、水面曲线计算要解决的问题、水面曲线计算要解决的问题已知已知：i i ， n n（2 2）已知：）已知：求求: :另一个水深。另一个水深。Q Q，渠道两断面的形状、尺寸，两断面渠道两断面的形状、尺寸，两断面的间距的间距 L L，一个水深一个水深，（1 1）已知：）已知：求求: :两断面的间距

43、两断面的间距 L L。Q Q，渠道两断面的形状、尺寸，渠道两断面的形状、尺寸，水深水深 h h1 1 、h h2 2 ，2022-5-311092 2、计算式：、计算式：fJiEs)2()2(21112222gvhgvhE其中：其中：fJ_可按均匀流公式计算。可按均匀流公式计算。2022-5-31110（1 1）长度不大的棱柱体：）长度不大的棱柱体： 221RRR+=221ccc+=221vvv+=即：即：RcvJf222022-5-31111212JJJfff+=1 11 12 22 2v v1 1v v2 2S（2 2）非棱柱体：）非棱柱体：222222RcvJf=121211RcvJf=

44、2022-5-311123 3、棱柱型渠道水面曲线计算：、棱柱型渠道水面曲线计算：方法：方法：（1 1）以某控制断面作）以某控制断面作 1 11 1断面，据水面曲线断面，据水面曲线 的型式定出相邻的型式定出相邻 2 22 2断面，然后以此类断面，然后以此类 推，逐段计算。推，逐段计算。2022-5-31113（2 2）应计算的参数：）应计算的参数： （3 3）总长（水面曲线）：）总长（水面曲线）：ninifiJiEsl11ESfJ2022-5-311144 4、非棱柱型渠道水面曲线计算：、非棱柱型渠道水面曲线计算：（1 1）已知条件：）已知条件：i , n , Q , hi , n , Q ,

45、 h1 1， A= f ( hA= f ( h， s )s )断面面积沿断面面积沿程变化规律程变化规律1 1 确定控制断面处的确定控制断面处的 E E1 1、h h1 1、A A1 1、V V1 1, J, J f 1 f 1 。2 2 将明渠分为若干段，再按将明渠分为若干段，再按s s 选定相邻选定相邻 2 22 2断面。断面。（2 2）计算要点：）计算要点：2022-5-31115由由 h h2 2计算出计算出 E E2 2、A A2 2、v v2 2 、J Jf2 f2 。缓流缓流向上游算；向上游算；急流急流向下游算。向下游算。其中：其中：h h2 2 可假定，一般按可假定，一般按 0.

46、1 0.1 0.30.3取值。取值。2022-5-31116)(2121fffJJJfJ3 3 按式按式计算计算再据再据fJ及及 i i 计算计算 s s。若计算出的若计算出的 s s 与给定的相等，则所设与给定的相等，则所设 h h2 2 即所求即所求 h h2 2以上步骤重复逐段以上步骤重复逐段求和，即得整段渠道水求和，即得整段渠道水面曲线。面曲线。2022-5-311173 3 抛物线法。抛物线法。1 1 梯形法；梯形法；2 2 矩形法；矩形法；近似法：近似法：二、数值求和法（棱柱型渠道）二、数值求和法（棱柱型渠道）dhhdhkQigBQds)(122322022-5-311181010

47、8 8 闸孔出流闸孔出流 一、简介一、简介1 1、闸门底的类型：、闸门底的类型：平平 坎坎 宽顶堰坎宽顶堰坎实用堰坎实用堰坎2022-5-311192 2、闸门的型式：、闸门的型式：矩形平板闸门；矩形平板闸门； 弧形闸门弧形闸门3 3、闸孔的出流型式：、闸孔的出流型式：自由式；自由式； 淹没式淹没式4 4、闸孔出流与堰流的判别标准：、闸孔出流与堰流的判别标准： 0.65 0.65e eH H则为堰流；则为堰流；若若（1 1）平坎、宽顶堰坎：）平坎、宽顶堰坎：（2 2）实用堰坎：）实用堰坎：则为堰流。则为堰流。 0.75 0.75e eH H若若2022-5-311205 5、影响闸孔出流的因素

48、：、影响闸孔出流的因素：闸门的型式；闸门的型式； 闸孔的尺寸；闸孔的尺寸；闸前的水头；闸前的水头； 下游水位等。下游水位等。2022-5-31121二、闸孔出流计算二、闸孔出流计算1 1、自由式闸孔出流、自由式闸孔出流二维、平坎、二维、平坎、矩形闸门矩形闸门H Hc cc ch ht te e2022-5-31122系数见表系数见表10105 5。 0.951.00.951.0( (平坎平坎) )H Hc cc ch ht te eehcAAc)(20eHgBeQ2022-5-311232 2、淹没式、淹没式 Hehchth h二维、平坎、二维、平坎、矩形闸门矩形闸门、B B、e e同同自由式

49、。自由式。h h 由动量方由动量方 程推导，程推导， 见式见式 11119696)(20hHgBeQ2022-5-311243 3、自由式、淹没式判别标准：、自由式、淹没式判别标准：（1 1）自由式：）自由式：不发生淹没式水跃。不发生淹没式水跃。（2 2）淹没式：）淹没式：发生淹没式水跃。发生淹没式水跃。h hc c h h ht t发生淹没式水跃的条件发生淹没式水跃的条件: :h hc c h ht t2022-5-31125（2 2）判断是自由式、淹没式？）判断是自由式、淹没式？（1 1）判断是否闸孔出流？）判断是否闸孔出流？5 5、举例。、举例。4 4、闸孔水力计算应注意的问题：、闸孔水

50、力计算应注意的问题：2022-5-31126109 堰堰 流流1、堰、堰 一种既可蓄又可泄的溢流设施。一种既可蓄又可泄的溢流设施。2、堰流、堰流水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面水流经明渠上的泄水构筑物时，发生水面 连续光滑跌落的现象。连续光滑跌落的现象。2022-5-31127宽顶堰：宽顶堰： H 0.67薄壁堰：薄壁堰：实用堰：实用堰：H 2.50.67 2.53、堰的分类：、堰的分类：（1） 依据堰顶厚度：依据堰顶厚度：H2022-5-31128（2） 依据水流行近堰体的条件：依据水流行近堰体的条件：1 侧收缩堰；侧收缩堰；2 无侧收缩堰。无侧收缩堰。Bb2022-5-311291 正