好文档就是一把金锄头!
欢迎来到金锄头文库![会员中心]
电子文档交易市场
安卓APP | ios版本
电子文档交易市场
安卓APP | ios版本

《明渠非均匀流》PPT课件.ppt

121页
  • 卖家[上传人]:夏**
  • 文档编号:575792273
  • 上传时间:2024-08-18
  • 文档格式:PPT
  • 文档大小:6.63MB
  • / 121 举报 版权申诉 马上下载
  • 文本预览
  • 下载提示
  • 常见问题
    • 明渠非均匀流明渠非均匀流1 【【教学基本要求教学基本要求】】•理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性,掌握理解断面比能、临界水深、临界底坡的概念和特性,掌握矩形断面明渠临界水深矩形断面明渠临界水深h hk k的计算公式和其它形状断面临界的计算公式和其它形状断面临界水深的计算方法水深的计算方法•掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律,能正掌握棱柱体渠道水面曲线的分类、分区和变化规律,能正确进行水面线定性分析,了解水面线衔接的控制条件确进行水面线定性分析,了解水面线衔接的控制条件•能进行水面线定量计算能进行水面线定量计算学习重点学习重点】】•明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算,这部分也是明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析和计算,这部分也是本章的难点;本章的难点;•水跃的基本特性水跃的基本特性2 非均匀流产生的原因非均匀流产生的原因((1 1)渠道的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡)渠道的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡i i沿程有变化;沿程有变化;((2 2)渠道较短或者渠中有水工建筑物存在渠道较短或者渠中有水工建筑物存在3 明渠非均匀流的特点明渠非均匀流的特点 ((1 1)水深)水深h h和断面平均流速和断面平均流速v v沿程变化;沿程变化;((2 2)流线间互相不平行;)流线间互相不平行;((3 3)水力坡度线、测压管水头线和底坡线彼此间)水力坡度线、测压管水头线和底坡线彼此间不平行。

      不平行 研究非均匀流的主要任务研究非均匀流的主要任务 ((1 1)定性分析水面曲线;)定性分析水面曲线;((2 2)定量计算水面曲线定量计算水面曲线 4 8.1明渠水流的流态明渠水流的流态缓流缓流急流急流5 明渠恒定流的三种流动类型明渠恒定流的三种流动类型 • 缓流缓流 • 急流急流 • 临界流临界流 缓流的特点缓流的特点:缓流中水深较大,流速较小,干:缓流中水深较大,流速较小,干扰波既能向上游传播也能向下游传播扰波既能向上游传播也能向下游传播 急流的特点急流的特点:急流中水深较浅,流速较大,急:急流中水深较浅,流速较大,急流渠道中干扰波只能向下游传播流渠道中干扰波只能向下游传播 6 流动类型的判别流动类型的判别• 波速法波速法 • 弗汝德(弗汝德(W.FroudeW.Froude))数法数法 • 断面比能法断面比能法 • 水深法水深法 • 底坡法底坡法 7 1.1.波速法波速法 波速法是通过渠中的断面平均速度波速法是通过渠中的断面平均速度v v与干扰波在静与干扰波在静水中的传播速度水中的传播速度c c对比来确定流动类型对比来确定流动类型。

      一般断面渠道静水中波速一般断面渠道静水中波速c c为为 8 •将一块石子投入静水中,水面以投石点为中心将一块石子投入静水中,水面以投石点为中心产生一系列同心圆,其以一定速度离开中心向产生一系列同心圆,其以一定速度离开中心向四周扩散四周扩散 cc9 •将石子投入等速运动的水流中,则波传播速度是将石子投入等速运动的水流中,则波传播速度是水流流速与波速向量和当水流流速小于波速水流流速与波速向量和当水流流速小于波速((v > c c)时,微波只向)时,微波只向投石点下游传播,对上游的流动没有影响投石点下游传播,对上游的流动没有影响 c + v 12 2.2.佛汝德(佛汝德(W.FroudeW.Froude))数法数法 通过渠中的断面平均速度通过渠中的断面平均速度v v与干扰波在静水中的传与干扰波在静水中的传播速度播速度c c之比来确定流动类型。

      之比来确定流动类型佛汝德数佛汝德数注:有的教材上定义注:有的教材上定义13 当当V=c时,是急流与缓流的临界状态时,是急流与缓流的临界状态 对临界流动来说,断面平均流速恰好与微波相对波速相等,对临界流动来说,断面平均流速恰好与微波相对波速相等,即即V= 这时:这时: 是一个无量纲的数,称为佛汝德数,用是一个无量纲的数,称为佛汝德数,用Fr表示 流动是临界流时,佛汝德数等于流动是临界流时,佛汝德数等于1所以液体在明渠中的流动所以液体在明渠中的流动状态也可用佛汝德数来进行判别状态也可用佛汝德数来进行判别 14 流态判断流态判断当当 时时,水流为缓流,水流为缓流,当当 时时,水流为急流,水流为急流,当当 时时,水流为临界流,水流为临界流,佛汝德(佛汝德(Froude)数的)数的物理意义:物理意义:表示过表示过水水断面单位重量液体平均动能与平均断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍,势能之比的二倍,Fr愈愈大,意味着水流的平大,意味着水流的平均动能所占的比例愈大。

      均动能所占的比例愈大表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关系急流时,惯性对水流起主导作用;缓流系急流时,惯性对水流起主导作用;缓流时,重力对水流起主导作用时,重力对水流起主导作用15 3. 3. 断面比能法断面比能法 单位重量水体单位重量水体相对于过水断面最低点处相对于过水断面最低点处的水平面的总能量定义为的水平面的总能量定义为断面比能,也称为断面单断面比能,也称为断面单位能量,记为位能量,记为e e(( ) 断面比能断面比能((1 1)断面比能定义)断面比能定义16 图示明渠非均匀流,以渠底为基准面,过水断面单位图示明渠非均匀流,以渠底为基准面,过水断面单位液重的总能量为液重的总能量为 z0h cosθhzz0θ00vQ当底坡当底坡θ((6°))较小的渠道,较小的渠道,cosθ≈1,则,则17 比较比较 E和和Es两者相差一个渠底高程,两者相差一个渠底高程,Es与渠底高程无关与渠底高程无关 流量一定时,流量一定时,Es 是断面形状、尺寸的函数是断面形状、尺寸的函数 当流量和断面形状一定时,当流量和断面形状一定时,Es 是水深函数是水深函数18 明渠水流中任一明渠水流中任一过水断面上的水深水断面上的水深h与与之和,称之和,称为断面断面单位能量(断面比能)位能量(断面比能)e。

      式中式中 H H—总水头19 •H是相对于同一基准面是相对于同一基准面0—0而言的单位总能,而断面比能而言的单位总能,而断面比能e则是以各断面最低点为基准面的单位总能,也是水流通过则是以各断面最低点为基准面的单位总能,也是水流通过该断面时运动参数(该断面时运动参数(h与与V)所表现出来的能量由于有水)所表现出来的能量由于有水头损失,头损失,H值总是沿流程值总是沿流程s减小的,因此减小的,因此 ;;•但是,断面比能却不一样,由于它的基准面不固定,且一但是,断面比能却不一样,由于它的基准面不固定,且一般明渠水流速度与水深沿程变化,所以般明渠水流速度与水深沿程变化,所以e可能沿程增大,也可能沿程增大,也可能沿程减小,也可能沿程不变(均匀流)在一定条件可能沿程减小,也可能沿程不变(均匀流)在一定条件下,下,e是水深是水深h的单值函数的单值函数因因J>0,故在平坡,故在平坡i=0和逆坡和逆坡i<0时::在在顺坡坡i>0时::则要看要看J和和i的大小来决定了的大小来决定了 20 1、以下关于缓流的结论中,正确的是、以下关于缓流的结论中,正确的是_________。

      A.. 运动参数变化比较慢运动参数变化比较慢 B.. 速度水头比较小速度水头比较小 C.. 断面比能以势能为主断面比能以势能为主 D.. 接近于均匀流接近于均匀流C 2.在平坡棱柱形渠道中,断面比能的变化情况是在平坡棱柱形渠道中,断面比能的变化情况是_________ A.. 沿程减少沿程减少 B.. 保持不变保持不变 C.. 沿程增大沿程增大 D.. 各种可能都有各种可能都有 A 3.下面的流动中,不可能存在的是下面的流动中,不可能存在的是_________ A.. 缓坡上的非均匀急流缓坡上的非均匀急流 B.. 平坡上的均匀缓流平坡上的均匀缓流 C.. 陡坡上的非均匀缓流陡坡上的非均匀缓流 D.. 逆坡上的非均匀急流逆坡上的非均匀急流B 提示: 均匀流只可能发生于顺坡渠道 21 当当Q、、渠道断面形状一定时,分析渠道断面形状一定时,分析E s = f((h)-比能曲线)-比能曲线通常纵坐标为通常纵坐标为h;;横坐标为横坐标为Es (2)(2)断面比能曲线断面比能曲线 Es h22 根据比根据比 能定义能定义 渐近线渐近线1:: 横坐标为渐近线横坐标为渐近线渐近线渐近线2:: 坐标轴成坐标轴成45°直线直线 hEs min h k Es 23 (水面宽水面宽)  当当 , 流态为临界流流态为临界流 dh BdA24 式中,式中,Ak为临界流时的过水面积为临界流时的过水面积 Bk为水面宽度为水面宽度 hk为临界水深为临界水深临界流方程临界流方程 或或  当当 流态为临界流流态为临界流 25 缓流缓流急流急流hEs minhkEs临界流临界流h1h2Es2Es1(3)(3)断面比能判断流态断面比能判断流态26 hhkEsh2h1Es1Es2(3)(3)断面比能的判断流态断面比能的判断流态缓流缓流急流急流27 4.4.水深法水深法 临界水深时对应的断面比能最小临界水深时对应的断面比能最小临界方程临界方程hEs minhke临界流临界流Es2Es128 临界方程的求解临界方程的求解 ((1 1)对于一般断面形状的渠道可以通过试算法)对于一般断面形状的渠道可以通过试算法求得临界水深。

      求得临界水深hk与与渠道断面形状、尺寸、流量有渠道断面形状、尺寸、流量有关,与关,与n、、i 无关无关注意注意29 1.矩形断面明渠矩形断面明渠 式中,式中,q = Q/Bk 称渠道单宽流量,单位称渠道单宽流量,单位m3/s·m 临界流条件下,矩形明渠水深、流速以及断面比能间关系临界流条件下,矩形明渠水深、流速以及断面比能间关系30 2.任意断面的明渠任意断面的明渠 为含为含hk 的高次隐函数式,不能直接求解的高次隐函数式,不能直接求解hk 试算法试算法试算图解法试算图解法 31 ((1)试算法)试算法当给定流量当给定流量 Q 及明渠断面形状、尺寸后,上式的及明渠断面形状、尺寸后,上式的左端左端 为一定值,该式的右端为一定值,该式的右端 乃仅仅是乃仅仅是水深的函数于是可以假定若干个水深水深的函数于是可以假定若干个水深 h ,从而可,从而可算出若干个与之对应的算出若干个与之对应的 值,当某一值,当某一 值值刚好与刚好与 相等时,其相应的水深即为所求的临相等时,其相应的水深即为所求的临界水深界水深hK 32 (( 2 2)图解法)图解法 图解法的实质和试算法相同。

      当假定不同的水深图解法的实质和试算法相同当假定不同的水深 h h 时,时,可得出若干相应的可得出若干相应的 值,然后将这些值点绘成值,然后将这些值点绘成 h h ~ ~ 关关系曲线图(见图),在该图的系曲线图(见图),在该图的 轴上,量取其值为轴上,量取其值为 的的长度,由此引铅垂线与曲线相交于长度,由此引铅垂线与曲线相交于 C C 点,点, C C 点所对应的点所对应的 h h 值值即为所求即为所求h hK K hhkQ2gA3B33 解解 由已知条件由已知条件 计算过程详见下表计算过程详见下表 1.00 1.200 13.6 14.2 2839.2 208.8 2.00 1.250 13.8 14.8 3270.6 237.9 3.00 1.270 13.8 15.1 3455.3 250.2 4.00 1.350 14.1 16.2 4278.2 304.5 5.00 1.400 14.2 16.9 4861.2 342.3 6.00 1.450 14.4 17.7 5501.9 383.4 次序次序hBAA3A3/B  例例 梯形断面渠道梯形断面渠道 m =1.5,,b =10m,,Q = 50m3/s,,hk?? B=b+2mh A=h((b+mh)) 34 1.00 1.200 13.6 14.2 2839.2 208.8 2.00 1.250 13.8 14.8 3270.6 237.9 3.00 1.270 13.8 15.1 3455.3 250.2 4.00 1.350 14.1 16.2 4278.2 304.5 5.00 1.400 14.2 16.9 4861.2 342.3 6.00 1.450 14.4 17.7 5501.9 383.4 次序次序hBAA3A3/B  35 5. 5. 底坡法底坡法 在流量、断面形状及尺寸一定的棱柱在流量、断面形状及尺寸一定的棱柱形渠道中,均匀流水深恰巧等于临界水深时的渠形渠道中,均匀流水深恰巧等于临界水深时的渠底坡度定义为临界坡度,记为底坡度定义为临界坡度,记为i ik k。

      临界坡度临界坡度注:有的教材上标记为注:有的教材上标记为icr 临界底坡是一个假想底坡,与渠道实际底坡无关,仅临界底坡是一个假想底坡,与渠道实际底坡无关,仅与渠道流量与渠道流量Q Q、、糙率糙率n n、、断面形状尺寸有关断面形状尺寸有关36 临界底坡的水力计算临界底坡的水力计算 :: 二、二、二、二、 满足满足 从从中中导导出出  式中,式中,C Ck k、、A Ak k、、R Rk k、、K Kk k为对应于临界水深的谢才系数、过水面积、为对应于临界水深的谢才系数、过水面积、水力半径和流量模数水力半径和流量模数对于宽浅渠道对于宽浅渠道  k≈Bk,则,则37 陡坡陡坡缓坡缓坡临界坡临界坡 缓坡、陡坡和临界底坡缓坡、陡坡和临界底坡 33 i< ik 缓坡缓坡 i> ik 陡坡陡坡 i=ik 临界坡临界坡如果发生均匀流,则如果发生均匀流,则 缓坡(缓坡(i< ik),),h0 > hk,,均匀缓流均匀缓流陡坡(陡坡(i >ik),),h0 < hk,,均匀急流均匀急流临界坡(临界坡(i=ik),),h0 = hk,,临界流临界流38 注意:缓坡、陡坡和临界坡是相对流量(或n)  不同流量(或不同流量(或n))下,同一底坡可是缓坡,陡坡或临界坡下,同一底坡可是缓坡,陡坡或临界坡 一定一定Q ,或或n下,下,i 属哪种坡度是确定的属哪种坡度是确定的 三种底坡上的水流可以是均匀流、或非均匀流三种底坡上的水流可以是均匀流、或非均匀流 每一种底坡可能产生非均匀缓流、或非均匀急流每一种底坡可能产生非均匀缓流、或非均匀急流39 判别判别法法流流态态按波速按波速Vw按佛汝按佛汝德数德数Fr按断面比按断面比能法能法按按临界水临界水深深hk均匀流时按底坡均匀流时按底坡缓缓 流流V< VwFr<1h> hki< ik ,h0> hk临界流临界流V= VwFr=1h= hki=ik ,h0= hk急急 流流V> VwFr>1h< hki> 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40 例例 有一浆砌块石护面的梯形断面渠道,边坡系数有一浆砌块石护面的梯形断面渠道,边坡系数m=1.5m=1.5,,粗糙系数粗糙系数n=0.025n=0.025,,底坡底坡i= 0.0004i= 0.0004,,底宽底宽b=5mb=5m,,当渠中通过流量当渠中通过流量Q = 8mQ = 8m3 3/s/s时渠道中的正常水时渠道中的正常水深深h h0 0=1.40m=1.40m,,试用所学的方法判别该渠道中的流动类试用所学的方法判别该渠道中的流动类型。

      型 ((1 1))波速法波速法 是缓流 41 ((2 2)佛汝德数法)佛汝德数法 是缓流 ((3 3))断面比能法断面比能法 是缓流 42 ((4 4))水深法水深法 临界水深需要用试算法或图解法求解临界水深需要用试算法或图解法求解 a.a.试算法试算法 临界方程临界方程43 ((5 5))底坡法底坡法 临界底坡公式为临界底坡公式为 渠道为缓坡渠道,当发生均匀流时为缓流渠道为缓坡渠道,当发生均匀流时为缓流 44 由缓流向急流过渡时一定经过临界水深由缓流向急流过渡时一定经过临界水深h hcrcr,,此时会产生水面降落的局部水力现象,此现此时会产生水面降落的局部水力现象,此现象称为水跌或跌水象称为水跌或跌水 水跌水跌8.2 8.2 水跃和水跌水跃和水跌45 缓坡接陡坡的渠道会产生水跌现象缓坡接陡坡的渠道会产生水跌现象图图a a中前段渠道中前段渠道i i1 1< >i ik k; ;图图b b中缓坡渠道末端有一中缓坡渠道末端有一跌坎;可以将跌坎看作跌坎;可以将跌坎看作为为i→∞i→∞的陡坡渠道的陡坡渠道; ;图图c c是水库出口接一陡坡是水库出口接一陡坡渠道,水库中的流动可渠道,水库中的流动可以视为缓流。

      以视为缓流 46 • 水跌的位置就发生在水跌的位置就发生在缓坡渠段和陡坡渠段的缓坡渠段和陡坡渠段的交接断面处,此断面称交接断面处,此断面称为控制断面为控制断面• 只要渠中流量一定,只要渠中流量一定,控制断面处的水深是唯控制断面处的水深是唯一确定的值一确定的值hk (h hcrcr)水跌的特点水跌的特点47 从急流向缓流过渡经过临界水深从急流向缓流过渡经过临界水深h hk k,,临界水深前后的水面会产生水面突然升高的局临界水深前后的水面会产生水面突然升高的局部水力现象,此现象称为水跃部水力现象,此现象称为水跃 闸孔出流的下游,靠近闸门附近的流动是急流,下游闸孔出流的下游,靠近闸门附近的流动是急流,下游渠道中的流动是缓流,这时从急流向缓流过渡经过临渠道中的流动是缓流,这时从急流向缓流过渡经过临界水深界水深h hk k,产生水跃产生水跃 水跃水跃48 水跃的组成:表面水滚和其下主流水跃的组成:表面水滚和其下主流 水跃消能:表面水滚和其下主流之间存在剧烈水跃消能:表面水滚和其下主流之间存在剧烈的质量、动量和能量的交换,水跃有很强的消的质量、动量和能量的交换,水跃有很强的消能特性。

      能特性 49 水跃基本方程水跃基本方程• 水跃前端和后端的断面分别称为水跃前端和后端的断面分别称为跃前断面跃前断面和和跃后断跃后断面面,其过水断面积记为,其过水断面积记为A A1 1和和A A2 2;; • 跃前断面和跃后断面的水深称为跃前断面和跃后断面的水深称为跃前水深跃前水深和和跃后水跃后水深深,记为,记为h`h`和和h``h``,,跃前水深和跃后水深称为彼此的跃前水深和跃后水深称为彼此的共轭水深共轭水深; ;• 跃后水深与跃前水深之差称为跃后水深与跃前水深之差称为水跃高度水跃高度,记为,记为a a,,a= h``-h`a= h``-h`;;• 跃前断面与跃后断面之间的水平距离称为跃前断面与跃后断面之间的水平距离称为跃长跃长50 取取1-11-1,,2-22-2断面间水体为控制体断面间水体为控制体 水跃的动量方程水跃的动量方程1 1)底坡水平;)底坡水平; 2 2)忽略渠床对水体的摩擦力作用;)忽略渠床对水体的摩擦力作用; 3 3)两个断面上的动量校正系数)两个断面上的动量校正系数αα0101=α=α0202=1=1;; 4 4))1-11-1和和2-22-2断面是渐变流断面。

      断面是渐变流断面51 水平方向的动量方程为水平方向的动量方程为 平底坡棱柱形渠道的水平底坡棱柱形渠道的水跃基本方程跃基本方程52 根据平底坡棱柱形渠道的水跃方程根据平底坡棱柱形渠道的水跃方程由于由于y y和和A A均是水深均是水深h h的函数,定义的函数,定义水跃函数水跃函数共扼水深共扼水深h`h`和和h``h``是使水跃函数值相等的两个水是使水跃函数值相等的两个水深53 给定棱柱形渠道和流量给定棱柱形渠道和流量水跃函数曲线水跃函数曲线• 当当h→0(A→0),J→∞h→0(A→0),J→∞• 当当h→∞(A→∞),J→∞h→∞(A→∞),J→∞• 当当h∈(0,∞),J(h)h∈(0,∞),J(h)存在极小值点存在极小值点54 55 • 当当h>h>h hk k时,时,J(h)J(h)值随水深值随水深的增大而增大;的增大而增大;• 当当h

      跃前水深愈小对应的跃后水深愈大 水跃函数曲线的特点水跃函数曲线的特点• 曲线上对应水跃函数最小曲线上对应水跃函数最小值的水深就是临界水深值的水深就是临界水深h hk k;; J(h)h1J(h2) 缓流缓流hh2J(h)minhkJ(h1) 急流急流J(h1)= J(h2)a图图 水跃函数的性质水跃函数的性质 56  共轭水深计算的一般方法共轭水深计算的一般方法 试算图解法试算图解法原理原理 57 例:一水跃产生在梯形渠道中已知流量:例:一水跃产生在梯形渠道中已知流量:Q = 6.0m3/s,,b==2.0m,, 边坡系数边坡系数m = 1.0,,h1 = 0.4m,,求求h2 ?9.72 9.35 0.94 0.37 6.60 9.89 6.00 2.00 1.00 2.30 8.79 8.39 0.91 0.40 6.40 9.24 6.00 2.00 1.00 2.20 7.13 6.67 0.83 0.46 6.00 8.00 6.00 2.00 1.00 2.00 5.72 5.18 0.76 0.54 5.60 6.84 6.00 2.00 1.00 1.80 4.01 3.30 0.64 0.71 4.97 5.18 6.00 2.00 1.00 1.49 3.65 2.87 0.60 0.77 4.80 4.76 6.00 2.00 1.00 1.40 2.97 2.02 0.53 0.96 4.40 3.84 6.00 2.00 1.00 1.20 2.56 1.33 0.44 1.22 4.00 3.00 6.00 2.00 1.00 1.00 2.45 0.81 0.36 1.64 3.60 2.24 6.00 2.00 1.00 0.80 3.23 0.29 0.23 2.94 3.00 1.25 6.00 2.00 1.00 0.50 4.01 0.18 0.19 3.83 2.80 0.96 6.00 2.00 1.00 0.40 5.42 0.10 0.14 5.32 2.60 0.69 6.00 2.00 1.00 0.30 8.39 0.04 0.10 8.35 2.40 0.44 6.00 2.00 1.00 0.20 17.5 0.01 0.05 17.5 2.20 0.21 6.00 2.00 1.00 0.10 J(h)A*hkhkQ2/gABAQbmh表表1 水水跃跃跃跃后后水水深深的的试试算算图图解解计计算算过过程程表表 58 图图 跃后水深的求解过程跃后水深的求解过程59 矩形断面渠道共轭水深的计算公式矩形断面渠道共轭水深的计算公式60 矩形断面渠道共轭水深与临界水深的关系矩形断面渠道共轭水深与临界水深的关系P177 P177 例例8-48-461 跃长的计算跃长的计算 水跃段中,水流紊动强烈,底部流速较大。

      因此,水跃段中,水流紊动强烈,底部流速较大因此,除非河、渠底为坚固岩石,一般需设置护坦保护跃后段除非河、渠底为坚固岩石,一般需设置护坦保护跃后段也需铺设海漫以免河床底部冲刷由于护坦和海漫长度均也需铺设海漫以免河床底部冲刷由于护坦和海漫长度均与跃长有关,故其确定是十分重要的与跃长有关,故其确定是十分重要的 由于水跃运动非常复杂,迄今还没有一个较完善的由于水跃运动非常复杂,迄今还没有一个较完善的理论跃长公式,仍以经验公式为主理论跃长公式,仍以经验公式为主62 水跃长度水跃长度 跃前断面和跃后断面间的水平距离跃前断面和跃后断面间的水平距离Lyh31h123h2EjEjjαv122gαv222gL0αv322g总水头线总水头线63 ((1)水跃段长度)水跃段长度ly或或——A为水跃高度,为水跃高度,h``为跃后水深;为跃后水深;((2)跃后长度)跃后长度l0上述公式仅适用于平坡或坡度很小的矩行渠道;若要获上述公式仅适用于平坡或坡度很小的矩行渠道;若要获取精确值,应通过水流模型试验确定取精确值,应通过水流模型试验确定64 水跃消能水跃消能跃前断面与跃后断面单位重量水体的总机械能之跃前断面与跃后断面单位重量水体的总机械能之差定义为水跃中消除的能量,记为差定义为水跃中消除的能量,记为ΔEΔEj j。

      水跃的消能功率水跃的消能功率由前可知由前可知'2' '22' '2'22ghqghqhhgggg-=-65 将水跃中消除的能量与跃前断面单位重量水体将水跃中消除的能量与跃前断面单位重量水体的总机械能之比定义为水跃的消能系数,记为的总机械能之比定义为水跃的消能系数,记为K Kj j,,即即 水跃稳定,消能效率高,跃后水面水跃稳定,消能效率高,跃后水面也较平稳也较平稳 66 8.3 8.3 明渠渐变流的基本微分方程明渠渐变流的基本微分方程定性分析定量计算水面曲线的依据定性分析定量计算水面曲线的依据 在明渠恒定渐变流中取相距在明渠恒定渐变流中取相距dsds的两过水断面的两过水断面1-11-1和和2-22-2,列能量方程列能量方程 67 明渠恒定渐变流的基本微分方程明渠恒定渐变流的基本微分方程已知已知68 理论基础理论基础: :明渠恒定渐变流的基本微分方程明渠恒定渐变流的基本微分方程 对于正底坡渠道对于正底坡渠道i>0 i>0 对于平底坡渠道对于平底坡渠道i=0 i=0 对于反底坡渠道对于反底坡渠道i<0 i<0 8.4 8.4 明渠渐变流的水面线分析明渠渐变流的水面线分析69 dh/dh/dsds取不同值时的几何意义取不同值时的几何意义 • dh/dh/dsds>0>0时,水深沿程增加,产生壅水曲线时,水深沿程增加,产生壅水曲线; ; • dh/dh/dsds<0<0时,水深沿程减少时,水深沿程减少,,产生降水曲线产生降水曲线; ; • dh/ds→0dh/ds→0时,水深趋于正常水深,即水面线时,水深趋于正常水深,即水面线与均匀流水面线渐近相切与均匀流水面线渐近相切; ; • dh/ds→+∞dh/ds→+∞时,水深突然增大,即渠中产生时,水深突然增大,即渠中产生水跃水跃; ; • dh/ds→-∞dh/ds→-∞时,水深突然减小时,水深突然减小,,即渠中产生即渠中产生水跌水跌; ; • dh/dh/ds→ids→i时,水面线与水平线渐近相切。

      时,水面线与水平线渐近相切 70 正底坡棱柱形渠道正底坡棱柱形渠道, ,水深沿程变化的影响因素水深沿程变化的影响因素对于一定底坡的棱柱形渠道,水深沿程的变化规对于一定底坡的棱柱形渠道,水深沿程的变化规律与律与h h0 0与与h h之比,临界水深之比,临界水深h hk k与与h h之比有关之比有关已知均匀流已知均匀流 已知临界流已知临界流 71 ① ① N-NN-N线:以正常水深线:以正常水深 h h0 0 绘出的均匀流水面线绘出的均匀流水面线② ② K-KK-K线:以临界水深线:以临界水深 h hk k 绘出的水面线绘出的水面线• N-NN-N线与线与K-KK-K线以上的区域为线以上的区域为a a区;区;水面曲线的分区水面曲线的分区• N-NN-N线与线与K-KK-K线之间的区域为线之间的区域为b b区;区;• N-NN-N线与线与K-KK-K线以下的区域为线以下的区域为c c区 72 不同底坡渠道的分区不同底坡渠道的分区正底坡正底坡i>0i>0 平底坡平底坡i=0 i=0 逆坡逆坡i<0 i<0 缓坡、陡坡和临界坡缓坡、陡坡和临界坡 能发生均匀流能发生均匀流 不能发生均匀流不能发生均匀流 不能发生均匀流不能发生均匀流 既有既有N-NN-N线也有线也有K-KK-K线,除临界坡外均有三个分区线,除临界坡外均有三个分区 没有没有N-NN-N线有线有K-KK-K线,有两个分区线,有两个分区 73 影响水深沿程变化的因素影响水深沿程变化的因素i>0时底坡底坡ii>0,,i0,,i=iki>0,,i>iki=0i=0i<0流态流态Fr,用,用hk直观反映直观反映KKKKKKKKKKi>0时,比较时,比较h与与h0NNNN(N)(N)a1a3a2b1b2b0b′c1c2c3c0c′74 定性分析水面曲线定性分析水面曲线• 根据已知水深根据已知水深h h在具体渠道中所处的区,在具体渠道中所处的区,确定水面曲线的类型;确定水面曲线的类型; • 指出指出dh/dh/dsds的极限情况,即水面曲线两端的极限情况,即水面曲线两端的变化趋势。

      的变化趋势 壅水曲线还是降水曲线,是哪种类型的壅水曲线壅水曲线还是降水曲线,是哪种类型的壅水曲线和哪种类型的降水曲线;和哪种类型的降水曲线; 75 ((1)缓坡)缓坡a区的水面线分析区的水面线分析i>0,,i0,,i0,,i0,,i0,,i

      向上游水深受来流条件所控制i0,,iikKKNNa2b2c2((4)陡坡)陡坡(i>ik) 上上a区的水面线分析区的水面线分析82 陡坡陡坡(i>ik) 上上a区的水面线分析区的水面线分析向上游向上游向下游向下游以以水平线为渐近线水平线为渐近线i>ikKKNNa2b2c2与与K-K线线有成垂直有成垂直的趋势,产生水跃的趋势,产生水跃实例:实例:83 ((5)陡坡)陡坡b区的水面线分析区的水面线分析该区该区实际水流的水深实际水流的水深降水曲线降水曲线i>ikKKNNa2b2c284 陡坡陡坡b区的水面线分析区的水面线分析i>ikKKNNa2b2c2向上游向上游与与K-K线线有成垂直有成垂直的趋势的趋势向下游向下游以以N-N线为渐近线线为渐近线实例:实例:i1>ik85 ((6)陡坡)陡坡C区的水面线分析区的水面线分析该区该区实际水流的水深实际水流的水深壅水曲线壅水曲线i>ikKKNNa2b2c286 陡坡陡坡C区的水面线分析区的水面线分析向上游水深受来流条件所控制。

      向上游水深受来流条件所控制前进i>ikKKNNa2b2c2向下游向下游以以N-N线为渐近线线为渐近线实例:实例:87 N-NN-N线与线与K-KK-K线重合,即没有线重合,即没有b b区,只有区,只有a a区和区和c c区,也即区,也即只有只有a a3 3型和型和c c3 3型水面曲线型水面曲线 a a3 3型曲线的变化规律介于型曲线的变化规律介于a a1 1和和a a2 2之间,之间,c c3 3型曲线的变化型曲线的变化规律介于规律介于c c1 1和和c c2 2之间,即之间,即a a3 3和和c c3 3曲线只能是两条水平线曲线只能是两条水平线i=ikKKa3c3((7)临界底坡()临界底坡(i=ik)上的水面线分析)上的水面线分析88 i1= ik实例:实例:实例:实例:89 不存在正常水深不存在正常水深h h0 0,,即没有即没有N-NN-N线,不存,不存在a a区,只存在区,只存在b b区和区和c c区,故区,故只能产生只能产生b b0 0和和c c0 0水面曲线水面曲线 • 水深在水深在b b区区b b0 0型降水曲线型降水曲线((8)平底坡()平底坡(i=0)上的水面线分析)上的水面线分析i=0i=0KKb0c090 ((8)平底坡()平底坡(i=0)上的水面线分析)上的水面线分析向上游向上游以水平线为渐近线以水平线为渐近线向下游向下游与与K-K线线有呈垂直的趋势有呈垂直的趋势i=0i=0KKb0c0实例:实例:91 • 水深在水深在c c区区c c0 0型壅水曲线型壅水曲线((8)平底坡()平底坡(i=0)上的水面线分析)上的水面线分析i=0i=0KKb0c092 • 水深在水深在c c区区((8)平底坡()平底坡(i=0)上的水面线分析)上的水面线分析向上游向上游始于某一控制水深始于某一控制水深向下游向下游与与K-K线线有成垂直的趋势有成垂直的趋势i=0i=0KKb0c0产生水跃产生水跃实例:实例:93 ((9)逆坡()逆坡(i<0)上的水面线分析)上的水面线分析• 水深在水深在b b区区i<0时b b’’型降水曲线型降水曲线94 ((9)逆坡()逆坡(i<0)上的水面线分析)上的水面线分析• 水深在水深在b b区区i<0时i<0KKb′c′向上游向上游以水平线为渐近线以水平线为渐近线向下游向下游与与K-K线线有成垂直的趋势有成垂直的趋势产生水跌产生水跌实例:实例:95 • 水深在水深在c c区区c c‘型壅水曲线型壅水曲线((9)逆坡()逆坡(i<0)上的水面线分析)上的水面线分析向上游向上游始于某一控制水深始于某一控制水深向下游向下游与与K-K线线有成垂直的趋势有成垂直的趋势i<0KKb′c′96 iikKKNNa2b2c2i=ikKKa3c3i=0i=0KKb0c0i<0KKb′c′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:97 水面曲线的基本变化规律水面曲线的基本变化规律• a a、、c c区的水面曲线恒为壅水曲区的水面曲线恒为壅水曲线线; ; a a区区一定是缓流,一定是缓流,c c区一定是急流区一定是急流; ; • b b区的水面曲线恒为降水曲线区的水面曲线恒为降水曲线; ; 只有陡坡(只有陡坡(i>i>i ik k)上的)上的b b区是急流,其余底坡的区是急流,其余底坡的b b区是缓流区是缓流; ; • 与与N-NN-N相邻的水面线,都与相邻的水面线,都与N-NN-N线渐近线渐近; ; • 与与K-KK-K相邻的水面线,都趋向与相邻的水面线,都趋向与K-KK-K线正交线正交; ; a a3 3和和c c3 3除外除外98 • 在在i>0i>0的三种底坡上,可发生均匀流,也可的三种底坡上,可发生均匀流,也可发生非均匀流发生非均匀流; ; ① ① 发生在缓坡上的均匀流,必为缓流均匀流;发生在缓坡上的均匀流,必为缓流均匀流;② ② 发生在陡坡上的均匀流,必为急流均匀流;发生在陡坡上的均匀流,必为急流均匀流;③ ③ 发生在临界坡上的均匀流,必为临界均匀流。

      发生在临界坡上的均匀流,必为临界均匀流• 在在i≤0i≤0的底坡上,不能发生均匀流,但可发的底坡上,不能发生均匀流,但可发生缓流,也能发生急流生缓流,也能发生急流99 BDhkhkhk1hk2hk1< hk2hk1< hk2hk1=hk2hkik100 DA101 b2DBa1102 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)i1 > h h0202 ,下游渠道的,下游渠道的N N--N N线低于上游渠道线低于上游渠道的的N N--N N线。

      线 因渠道很长,在上游无限远处应为均匀流,其水深为正因渠道很长,在上游无限远处应为均匀流,其水深为正常水深常水深h h0101 ;下游无限远处亦为均匀流,其水深为正常水深;下游无限远处亦为均匀流,其水深为正常水深h h0202104 若按照第一种或第三种方式降落,那么必然会出现下游若按照第一种或第三种方式降落,那么必然会出现下游渠道中渠道中 a a 区发生降水曲线的情况而缓坡区发生降水曲线的情况而缓坡 a a 区只能存在的区只能存在的是壅水曲线,所以第一、第三两种降落方式不能成立是壅水曲线,所以第一、第三两种降落方式不能成立 (1)(1)上游渠中不降,全在下游渠上游渠中不降,全在下游渠中降落;中降落; (2) (2) 完全在上游渠中降落,下完全在上游渠中降落,下游渠中不降落;游渠中不降落; (3) (3) 在上、下游渠中分别都降在上、下游渠中分别都降落一部分落一部分 由上游较大的水深由上游较大的水深h h0101 要转变到下游较小的水深要转变到下游较小的水深h h0202的水面的水面降落有三种可能:降落有三种可能: 惟一合理的方式是第二种,即降水曲线全部发生在上游惟一合理的方式是第二种,即降水曲线全部发生在上游渠道中,由上游很远处趋近于渠道中,由上游很远处趋近于 h h01 01 的地方,逐渐下降至分界的地方,逐渐下降至分界断面处水深达到断面处水深达到 h h02 02 ,而下游渠道保持为,而下游渠道保持为 h h02 02 的均匀流,所的均匀流,所以上游渠道水面曲线为以上游渠道水面曲线为 b b1 1 型降水曲线。

      型降水曲线105 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)i1ikN1N1h01KKhkN2N2h02b1b2前进由缓流向缓流过渡只影响上游,下游仍为均匀流由缓流向缓流过渡只影响上游,下游仍为均匀流由缓流向急流过渡产生跌水由缓流向急流过渡产生跌水i1﹥ i 2106 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)i2ikh02N2N2N1N1h01KKhkc1h02h02i1=0i2>ikKKhkN2N2h02b0b2前进由急流向缓流过渡产生水跃由急流向缓流过渡产生水跃a2107 N2N2h02b0b2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=0i2>ikKKhkLi1=0i2>ikKKN2N2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=0i2>ikKKN2返回b2c0c0b2c2108 i4iki1=0109 110 8.5 8.5 8.5 8.5 棱柱形渠道中渐变流水面曲线的计算棱柱形渠道中渐变流水面曲线的计算棱柱形渠道中渐变流水面曲线的计算棱柱形渠道中渐变流水面曲线的计算 定性分析了棱柱体渠道水面线后,可对水面线进行定量定性分析了棱柱体渠道水面线后,可对水面线进行定量计算。

      计算 水利工程问题许多问题需计算明渠中水深或水位沿程变水利工程问题许多问题需计算明渠中水深或水位沿程变化例如,水库回水淹没范围的计算例如,水库回水淹没范围的计算 本节介绍水面线计算的逐段计算法本节介绍水面线计算的逐段计算法 将整个流段分段考虑,在每个有限长的流段内,认将整个流段分段考虑,在每个有限长的流段内,认为断面单位能量或水位高程线性变化,将微分方程改成为断面单位能量或水位高程线性变化,将微分方程改成差分方程差分方程逐段计算法逐段计算法 明渠恒定流水面线计算的基本方法,明渠恒定流水面线计算的基本方法, 适用于棱柱体、非棱柱体明渠的流动适用于棱柱体、非棱柱体明渠的流动111 1 1 基本计算公式基本计算公式 明渠恒定流非均匀流的基本方程明渠恒定流非均匀流的基本方程 对于非均匀渐变流动,忽略局部水头损失,则对于非均匀渐变流动,忽略局部水头损失,则 其中其中 112 逐段试算法基本公式逐段试算法基本公式 式中,式中, △△s 计算渠段长度计算渠段长度下标下标u 渠段上游断面渠段上游断面下标下标d 渠段下游断面渠段下游断面坐标坐标s 向下游为正向下游为正113 逐段试算法基本公式逐段试算法基本公式 12流程总长度流程总长度 + += =)(2221duKKRCAK114 2 2 计算方法计算方法计算类型计算类型 已知流段两端水深,求两流段间距离已知流段两端水深,求两流段间距离 n 已知棱柱体渠道断面水深,可直接计算距离已知棱柱体渠道断面水深,可直接计算距离 绘制水面曲线绘制水面曲线 已知流段一水深与流段长,求另一断面水深已知流段一水深与流段长,求另一断面水深 n方法:假定另一断面水深,计算流段距离,与实际流段距方法:假定另一断面水深,计算流段距离,与实际流段距 离比较,直至两者相等。

      非棱柱体渠道必须用该方法试算离比较,直至两者相等非棱柱体渠道必须用该方法试算n 根据水面线变化规律,假定另一水深,再计算两断面距离根据水面线变化规律,假定另一水深,再计算两断面距离 115 •例例:现要设计一土渠,某段因所经地形较陡,故将设立:现要设计一土渠,某段因所经地形较陡,故将设立跌坎通过因此,渠道产生非均匀流,其中包括跌水现跌坎通过因此,渠道产生非均匀流,其中包括跌水现象试问在跌坎前的土渠会不会受冲刷?若发生冲刷,象试问在跌坎前的土渠会不会受冲刷?若发生冲刷,问渠道的防冲在跌坎前的土渠会不会受冲刷?若发生冲问渠道的防冲在跌坎前的土渠会不会受冲刷?若发生冲刷,问渠道的防冲铺砌长度需要多长?刷,问渠道的防冲铺砌长度需要多长?水力计算依据:明渠输水量水力计算依据:明渠输水量Q=3.5m3/s,沿程过水断面均为梯形,断面,沿程过水断面均为梯形,断面边坡系数边坡系数m=1.5,渠底粗糙系数,渠底粗糙系数n=0.025,底宽,底宽b=1.2m,允许流速,允许流速Vmax=1.2m/s,明渠底坡按允许流速确定,明渠底坡按允许流速确定116 •解:因设跌坎,渠道中产生了非均匀流动,故首先要分析水面解:因设跌坎,渠道中产生了非均匀流动,故首先要分析水面曲线的变化,然后再校核流速是否超过了允许流速,最后决曲线的变化,然后再校核流速是否超过了允许流速,最后决定防冲长度。

      定防冲长度•((1)计算正常水深)计算正常水深h0,并决定渠底坡,并决定渠底坡i得:得: ((2)计算临界水深)计算临界水深hk得:得: 117 •故为缓坡渠道,在图中标出故为缓坡渠道,在图中标出N—N和和K—K线再考虑此段线再考虑此段非均匀流的边界条件,起始断面的水深非均匀流的边界条件,起始断面的水深 ,末端跌坎,末端跌坎上的水深因此,此段水流处于上的水深因此,此段水流处于bI区,水面曲线为区,水面曲线为bI型降水型降水曲线3)校核渠中流速校核渠中流速因因为是是bI型降水曲型降水曲线,,在跌坎在跌坎2—2处的水深的水深为渠中非均匀流的最大流速渠中非均匀流的最大流速Vk便便发生在生在该处118 •可见,可见,Vk远超过允许流速远超过允许流速Vmax,水流对渠底将引起巨大的冲刷水流对渠底将引起巨大的冲刷•((4)计算防冲铺砌长度)计算防冲铺砌长度△△s s ::现决定在现决定在 (比允许流速稍大)的一段渠道上铺砌防冲层:(比允许流速稍大)的一段渠道上铺砌防冲层:得:得: 设 119 例:一长直棱柱体明渠,底宽例:一长直棱柱体明渠,底宽b为为10m,,边坡系数边坡系数m为为1.5,,糙率糙率n为为0.022,底坡,底坡i为为0.0009,当,当通过流量通过流量Q为为45m3/s时,时,渠道末端水深渠道末端水深h为为3.4m,,要求计算渠道中的水面曲线。

      要求计算渠道中的水面曲线解解:(1)由于渠道为顺坡明渠,故应先判别渠道是缓坡还是陡由于渠道为顺坡明渠,故应先判别渠道是缓坡还是陡坡,水面线属于哪种类型坡,水面线属于哪种类型分别计算出:分别计算出:hk=1.2m,,h0=1.96m (计算略计算略)KKNNh0hki

      同样方法计算出出口断面同样方法计算出出口断面水深为水深为1.5m1.5m121 。

      点击阅读更多内容
      手机版 | 川公网安备 51140202000112号 | 经营许可证(蜀ICP备13022795号)
      ©2008-2016 by Sichuan Goldhoe Inc. All Rights Reserved.