第七章非均匀流1资料课件.ppt

1、 产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生非均匀流动。足，明渠上将产生非均匀流动。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此不平行，水头线彼此不平行，。水深沿程变化。水深沿程变化。zJJiV1V2h1h2212Vg222Vg水面线总水头线 主要研究的任务：就是分析主要研究的任务：就是分析水面线的变化水面线的变化及其计算，及其计算，以便确定明渠以便确定明渠边墙边墙高度，以及回水高度，以及回水淹没的范围淹没的范围等。等。为了区别，将明渠均匀流的水深称为为了区别，将明渠均匀流的水深称

2、为正常水深正常水深，以以h0表示。非均匀流的水深以表示。非均匀流的水深以h表示。表示。明渠水流的流态明渠水流的流态缓流缓流：水流流速小，水势：水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又影响既能向下游传播，又能向上游传播能向上游传播急流急流：水流流速大，水势：水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而影响只能向下游传播，而不能向上游传播不能向上游传播明渠水流中的三种流态明渠水流中的三种流态 当当 时，水流为缓流；时，水流为缓流；当当 时，水流为临界流；时，水流为临界流；当当 时，水流为急流。时，水流为急流。ccc明渠

3、水流流态判别：明渠水流流态判别：BAhhgc，明渠水流中微波的相对明渠水流中微波的相对波速波速当当 时，水流为时，水流为缓流缓流；当当 时，水流为时，水流为临界流临界流；当当 时，水流为时，水流为急流急流。1Fr1Fr1Fr流态判别数流态判别数弗汝德数弗汝德数 定义定义弗汝德数：弗汝德数：VFrgh临界流时，临界流时，所以所以Vgh1Vgh弗汝德数弗汝德数的物理意义：的物理意义：222VVgFrhgh表示过水断面单位重量液体表示过水断面单位重量液体平均动能平均动能与与平均平均势能势能之比的二倍开平方，之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水愈大，意味着水流的平均动能所占的比例愈大。流的平均动能所占

4、的比例愈大。Fr 惯性力重力表示水流的表示水流的惯性力惯性力与与重力重力两种作用的对比关两种作用的对比关系。系。急流时急流时，惯性惯性对水流起对水流起主导主导作用；作用；缓流缓流时时，重力重力对水流起对水流起主导主导作用。作用。断面比能（断面单位能量）断面比能（断面单位能量）OOhz0zooOOz0断面上单位重量液体所具有的总能量：断面上单位重量液体所具有的总能量：定义断面比能：定义断面比能：hgvhzgvzE22202将各断面的基准面选择在过水断面的最低点的位置，此时所具有的总机械能称为断面比能Es。则：ghEs22E与Es的区别 1）E在整个流程上为同一基准面 所以 E沿程总是减小 Es

5、不同断面的基准面不同，即沿程可升可降，或不变2）E的基准面任意选取,Es的基准面为断面的最低点 3）两者相差一个位置高度Z0 表达式为：表达式为：当流量一定，过水断面的形状和尺寸又不变时：当流量一定，过水断面的形状和尺寸又不变时：ghEs22222gAQh)(hfEs断面比能曲线断面比能曲线：上支，上支，0dhdEs下支，下支，0dhdEs时，时，khh 0dhdEs 四、临界水深四、临界水深 断面比能最小值时所对应的水深，称为临界水深断面比能最小值时所对应的水深，称为临界水深 khkkBAgaQ32利用临界水深判别流态：利用临界水深判别流态：当当 时，水流为时，水流为缓流缓流；当当 时，水流

6、为时，水流为临界流临界流；当当 时，水流为时，水流为急流急流。khh khh khh 临界水深的计算临界水深的计算矩形断面明渠时：矩形断面明渠时：22332kQqhgbg单宽流量单宽流量梯形断面明渠时：梯形断面明渠时：试算法试算法图解图解试算法试算法32kkAQgBh3ABO2Qgkh图解法：查附图图解法：查附图五、陡坡、缓坡、临界坡五、陡坡、缓坡、临界坡 当均匀流水深正好等于临界水深时，相应的当均匀流水深正好等于临界水深时，相应的底坡称为临界底坡底坡称为临界底坡 。ki影响影响临界水深临界水深hk的因素：的因素：流量、断流量、断面形状及尺寸面形状及尺寸影响影响正常水深正常水深h0的因素：的因

7、素：流量、断流量、断面形状及尺寸、糙率、底坡面形状及尺寸、糙率、底坡时，缓坡；时，缓坡；kii 缓流缓流kii 临界流临界流时，临界坡；时，临界坡；kii 急流急流时，陡坡；时，陡坡；kh0hkh0hkh0h水流应满足明渠均匀流和临界流的关系：水流应满足明渠均匀流和临界流的关系：kkkkiRCAQkkBAgaQ32临界底坡的计算公式：临界底坡的计算公式：kkkkBaCgxi2 判别法判别法流态流态按波速按波速c按佛汝德数按佛汝德数Fr按临界水深按临界水深hk均匀流时按底坡均匀流时按底坡缓缓 流流V cFr hki hk临界流临界流V=cFr=1h=hki=ik,h0=hk急急 流流V cFr1

8、h ik,h0 hk明渠水流流态的各种判别方法明渠水流流态的各种判别方法例7-3例7-5明渠非均匀急变流现象明渠非均匀急变流现象水跌与水跃现象水跌与水跃现象 当明渠水流从缓流当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水水面急剧下降的局部水力现象，称为力现象，称为水跌现象水跌现象。当明渠水流从急流状当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水力现象，称为水跃现象水跃现象。平坡i=0跌坎急流缓流临界水深hkKK缓流急流水跌简介 水流由缓流过渡到急流称为水跌。由于急变流的水面变化规律与渐

9、变流不同，水流流线很弯曲，实际上跌坎断面的水深hD约为0.7hK，而水深等于hK的断面约在跌坎断面上游(34)hK处。控制断面水跃的特点 水跃是典型的明渠急变流。1）水跃组成：表面旋滚+扩散主流 跃前水深h(hk)称为共轭水深。水流经水跃区由急流变成缓流。2）水跃消能：表面旋滚区和扩散主流区之间存在剧烈的质量、动量和能量交换，有很强的消能特性。棱柱体明渠中恒定棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面非均匀渐变流水面曲线分析曲线分析2221QidhKdsFri0时0QKi2021()1KKiFr几点说明：几点说明：1.可能出现的情况及其水面曲线的形状特征可能出现的情况及其水面曲线的形状特征dhds若若

10、，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线若若 ，则水深沿流程减小，水面为降水曲线，则水深沿流程减小，水面为降水曲线若若 ，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面若若 ，则水面趋向于水平面，则水面趋向于水平面若若 ，则水面与流向趋于重直，则水面与流向趋于重直0dhds0dhds0dhdsdhidsdhds 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式水深水深h（或水位（或水位z）沿流程的变化情况）沿流程的变化情况明渠渐变流水面曲线分析明渠渐变流水面曲线分析几个概念 N-N线：以正常水深 h0 绘出的均

11、匀流水面线。K-K线：以临界水深 hk 绘出的水面线。明渠底坡分类：正坡(i0)能发生均匀流 平坡(i=0)不能发生均匀流 负坡(i0时0QKi2021()1KKiFr底坡底坡ii0，i0，i=iki0，iiki=0i=0i0时，比较时，比较h与与h0NNNN（N）（N）3.明渠流的分区明渠流的分区:均匀流的正常水深线均匀流的正常水深线N N-N N 线，距渠底线，距渠底h hk k的临界水深线的临界水深线K K-K K 线，可把渠道划线，可把渠道划分成三个不同的区域，如图：分成三个不同的区域，如图：a a区：区：hhhho o 且且 hhhhk k b b区：区：h h0 0hhhhk k

12、或或 h h0 0hhhhk k c c区：区：hhhh0 0 且且 hhh0，i0，i=iki0，iiki=0i=0i0，iikKKNNa1b1c10Khhh该区实际水流的水深该区实际水流的水深2000011()0KKhhKKKK 2110KhhFrFr 2021()1KdhKidsFr0dhds壅水曲线壅水曲线向上游向上游2000011()00KKdhhhKKKKds 以以N-N线为渐近线线为渐近线向下游向下游h 20001()1KKKKK 2011FrFr dhids以水平线为渐近线以水平线为渐近线NNi0，iikKKNNa1b1c12021()1KdhKidsFr0Khhh该区实际水流

13、的水深该区实际水流的水深2000011()0KKhhKKKK 2110KhhFrFr 0dhds降水曲线降水曲线向上游向上游2000011()00KKdhhhKKKKds 以以N-N线为渐近线线为渐近线向下游向下游2110KdhhhFrFrds 与与K-K线有成垂直的趋势线有成垂直的趋势i0，iikKKNNa1b1c12021()1KdhKidsFr0Khhh该区实际水流的水深该区实际水流的水深2000011()0KKhhKKKK 2110KhhFrFr 0dhds壅水曲线壅水曲线向下游向下游2110KdhhhFrFrds 与与K-K线有成垂直的趋势线有成垂直的趋势向上游水深受来流条件所控制。

14、向上游水深受来流条件所控制。iikKKNNc1KKNNc1iikiikKKNNa2b2c2i=ikKKa3c3i=0i=0KKb0c0i0KKbc各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：a、c区为壅水曲线；区为壅水曲线；b区为降水曲线区为降水曲线当当hh0时，以时，以N-N线为渐近线；线为渐近线；当当hhk时，与时，与K-K线有成垂直的趋势；线有成垂直的趋势；当当h时，以水平线为渐近线时，以水平线为渐近线变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（一）变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（一）i1iki2ikN1N1h01KKhkN2N2h02第一

15、步：定出各段渠道上的第一步：定出各段渠道上的K-K线与线与N-N线（正坡时）；线（正坡时）；第二步：分析变坡渠道上、下游的水流流动情况，定出控制水深；第二步：分析变坡渠道上、下游的水流流动情况，定出控制水深；第三步：画出非均匀渐变流的水面线第三步：画出非均匀渐变流的水面线b1变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（二）变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（二）i1iki2ikKKhkh02N2N2N1N1h01a1i1ikN1N1h01KKhkN2N2h02b1b2变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（三）变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（三）i2ikh02N2N2N

16、1N1h01KKhkc1h02h02i1=0i2ikKKhkN2N2h02b0b2N2N2h02b0b2变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（四）变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（四）i1=0i2ikKKhkLi1=0i2ikKKN2N2当闸门下游平坡渠段当闸门下游平坡渠段L L的大小变化时，的大小变化时，水面线会出现哪些形式？水面线会出现哪些形式？i1=0i2ikKKN2明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算 分段求和法分段求和法计算公式计算公式ssdsuEEEsiJiJ 其中其中1()2udJJJ22QJKKACR2221()2udKKK222

17、1111()2udKKK计算方法：计算方法：首先将明渠划分成若干流段，然后由流段的已知断首先将明渠划分成若干流段，然后由流段的已知断面求未知断面，逐段推算。面求未知断面，逐段推算。202VEzhg202sVEhEzg00()()sdEd EzdzdEJiiJdsdsdsds sEiJs 根据不同情况，实际计算可能有两种类型：根据不同情况，实际计算可能有两种类型：（1）已知流段两端的水深，求流段的距离）已知流段两端的水深，求流段的距离s（2）已知流段一端的水深和流段长）已知流段一端的水深和流段长s，求另一端断面水深，求另一端断面水深适用于棱柱体明渠，先分析出水面曲线的变化趋势，根据适用于棱柱体明渠，先分析出水面曲线的变化趋势，根据已知的一端水深，假设另一端水深，求出其已知的一端水深，假设另一端水深，求出其s可用于棱柱明渠和非棱柱体明渠，计算时可假设另一端断面可用于棱柱明渠和非棱柱体明渠，计算时可假设另一端断面的未知水深，计算出一个的未知水深，计算出一个s，与已知的，与已知的s相等则假设水深相等则假设水深即为所求，若不等，需重新假设，直到算得的即为所求，若不等，需重新假设，直到算得的s与已知的与已知的s相等为止。相等为止。i1iki2ikKKhkh02N2N2N1N1h01a1s1s2s3huhdssdsuEEEsiJiJ 例7-10