工程流体力学

第1章流体及其主要物理性质第2章流体静力学第3章流体动力学基础第4章流动阻力和水头损失第5章孔口、管嘴出流及有压管流第6章明渠均匀流第7章明渠水流的两种流态及其转换第六章明渠均匀流第一节概述第二节明渠均匀流特性及公式第三节水力最佳断面及允许流速第四节无压圆管均匀流基本内容1、了解明槽水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。2、了解明槽均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明槽均匀流公式，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、掌握明槽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。教学内容、重点及难点第一节概述明渠是人工修建或自然形成的具有自由表面的渠槽。明渠水流分类：明渠恒定流明渠非恒定流明渠均匀流明渠非均匀流明渠非均匀流无AAQCrosssectionA-A人工渠道、天然河道以及未被液流所充满的管道都是明渠流.明渠流与有压流区别有压管流：①具有封闭的湿周；②压力是流动的主要动力。明渠流：①具有自由水面（即水面压强为大气压）；②重力是流动的主要动力；③明渠水面线即测压管水头线一、明渠横断面1.天然河道的横断面呈不规则形状，分主槽和滩地枯水期：水流过主槽丰水期：水流过主槽和滩地滩地主槽断面确定：根据地质条件2.人工明渠的横断面据渠道的断面形状分:梯形、矩形、圆形、抛物线形等hbdhθ岩石中开凿或条石砌筑或混凝土渠或木渠—矩形排水管道或无压隧道—圆形土质地基—梯形mhbB2hmhbhBbA)()2(212mhb212)(mhbhmhbRhbctgmbBhm1α渠道底宽b渠中水深h水面宽度B过水断面面积A水力半径R断面宽深比边坡系数m：边坡上高差为1m的两点间的水平距离土壤种类边坡系数m粉砂3.0~5.3细沙2.5~3.5砂壤土2.0~2.5粘砂壤土1.5~2.0粘土，密实黄土1.25~1.5卵石和砌石1.25~1.5半岩性的抗水的土壤0.5~1.25风化的岩石0.25~0.5未风化的岩石0.00~0.25m的大小应根据土的种类或护面情况而定，可查表二、明渠底坡底坡i—渠底高程沿水流方向单位距离的降落值称为底坡lziddsinθ—渠底线与水平线之间的夹角如果用水平距离代替实际距离，用垂直水深代替实际水深tgdldzix明渠底坡有三种类型正（顺）坡i0渠底高程沿流程降低平坡i=0渠底高程沿程不变负（逆）坡i0渠底高程沿流程增加i0i=0i0三、明渠的分类按断面形状、尺寸是否沿程变化分棱柱体明渠、非棱柱体明渠第二节明渠均匀流特性及基本公式一、明渠均匀流的特性（1）过水断面形状、尺寸、水深沿程不变，流速分布、平均流速均沿程不变（2）总水头线、水面线、渠底线三线平行J=Jp=i（3）摩擦阻力与重力分量相平衡Gsinθ=FTθihhJJpvv二、明渠均匀流的形成条件•水流恒定，流量沿程不变•正坡，底坡沿程不变•棱柱体渠道，糙率沿程不变•明渠足够长直，不受干扰图明渠中的流动均匀流段非均匀流段非均匀流段•离开渠进口、或水工建筑物一定距离远的顺直棱柱体明渠恒定流•天然河道某些顺直、整齐河段在枯、平水期三、明渠均匀流基本公式)(2132RACKiKiRnARiACQo基本公式2211AvAvQ1)21321iRnRiCv2)611RnC量纲][21121gTLC流量iKRiACQ流量模数RACK谢才公式谢才系数611RnC•恒定均匀流谢才公式适用条件:阻力平方区i0单位m.s?糙率n值的确定天然河道中影响糙率n值的因素①河床表面粗糙②断面的不规则、平弯情况、滩地交叉、河道阻碍情况③河堤沙坡影响随水深变化注意:选择时应谨慎。其选得偏小，渠道断面尺寸偏小，对实际输水能力影响较大。第三节水力最佳断面及允许流速一、明渠水力最优断面322135213211iAniARnQ水力最佳断面：过流断面的面积、糙率、底坡一定,通过的流量最大的断面形状当Q=一定，要求：A→Amin当A=一定，要求：Q→Qmax面积、糙率、底坡一定,流量最大,要求R最大AR半圆形断面为水力最佳断面。梯形断面的最佳宽深比，Rm=hm/2矩形断面的最佳宽深比，bm=2hm“水力最佳”不是“技术经济最佳”)1(22mmhbmmmmmRhb42;2综合考虑水力最佳断面不太合理例如一般土渠边坡m1，βm1，是深窄形断面，需深挖高填，造成施工不便、维护管理困难；水深变化大，给通航和灌溉带来不便，经济上反而不利。因此，限制了水力最佳断面在实际中应用.保证渠道正常运行的允许流速上限和下限值不淤流速v’’渠道中悬沙淤积的临界流速，取决于水流条件和挟沙的特性以及水中含沙量大小，可根据经验公式确定。不冲流速v’渠道冲刷的临界断面平均流速，取决定于渠壁材料的物理性质和水深，可查阅有关水利设计手册。二、允许流速'''vvvmmhR216161)5.0(025.011hRnCmhbmh6.061.0;98.0梯形断面最佳宽深比61.0)1(22mmhbmsmiQK/6.493根据已知的Q,i,n,m和b=0.61h,得:smhRACK/6.4917.53338211.2)5.161.0(hhhhA水力最佳断面smQ/5.33【例】一条路基排水沟，底坡i=0.005;n=0.025,m=1.5;要求通过流量,试按水力最佳断面的原理求出此排水沟的底宽和水深。【解】611RnCRiCvmR074.01.允许流速27/5.0mvQAsmv；不冲上述两组数据无实际意义。由：又：mmhbARmhmhbA074.012722）（mbmh98.6676.44mbmh33.940742.0或【例】试按允许流速和水力最优条件，分别设计一土质为细砂土的梯形断面渠道的断面尺寸，并考虑渠道是否需要加固。已知设计流量：【解】不冲vsmRiCv/75.12hR2.按水力最优61.0)1(22mmhbm验算需要加固smhniARRiACQ/5.377.3/382132又水力最优时：211.2hhmhbA）（hb61.0mhbmmh59.061.097.0第四节明渠均匀流的水力计算322135213211iAniARnQ校核过流能力问题Q设计渠槽的底坡i设计渠槽断面尺寸bh校核渠道输水能力已知mbhni,求Q【例】设计渠槽的底坡i已知mbhnQ,求i设计渠槽断面尺寸已知Qmni,求bh例如，边坡为混凝土护面，底部为浆砌卵石的渠道明渠断面周界上糙率不同的明渠均匀流n1,χ1n2,χ2n1,χ1n2,χ2天然河道主槽与河滩糙率不同主槽滩地引入综合糙率nr，其他计算同前当渠道流量变化大时，断面形状采用复式断面复式断面明渠均匀流的水力计算例如，水位刚刚漫上浅滩（第二个台阶）时，湿周突然增大，过水面积变化小，计算流量会突然减小，小于实际流量。糟率沿湿周可能不变，也可能变化，视具体情况而定，由于水深变化引起湿周变化可能是不连续的，对于复式断面渠道，不能用综合糙率来计算流量。实际流量hQ计算流量把断面按水深划为几部分，分别计算流速、流量用垂线把断面划分成三部分，注意：计算各部分湿周时，不要把两垂直分界线计入。水力计算：χ1h1χ2χ3h2h3iKiRCAQ11111iKiRCAQ22222iKiRCAQ33333无压圆管是指不满流的长管道，如污水管道、雨水管道、无压长涵管等第五节无压圆管均匀流无压圆管均匀流过水断面的水力要素一、充满度dh11满流非满流二、无压圆管的最佳充满度水力最佳发生在非满流时（满流之前）相对流量、相对流速无量纲曲线面积A和湿周χ随着水深的变化趋势不同最大设计充满度管径d/mm或暗渠H/mm最大设计充满度α150-3000.6350-4500.7500-9000.7510000.8本章作业习题6.1，习题6.2，习题6.10，习题6.8第七章明渠水流的流态及其转换第一节缓流和急流第二节流态判别的方法第三节水跃和水跌第一节缓流和急流缓流：水流徐缓，遇到障碍物阻水时，水面壅高并能逆流上传至较远地方。常见于底坡平缓的渠道或枯水季节的平原河流中。急流：水流湍急，遇到障碍物阻水时，水面仅在附近隆起，对上游来流无影响。常见于山丘和丘陵地区的陡槽、险滩中。第二节流态判别方法：1、波速（c）法、水流遇到障碍物后产生波动（扰动），扰动产生的波速称为微幅干扰波波速。静止水V=0ghc运动水Vghvvcc’2、弗劳德数法弗劳德数：ghvcvFr——表征动能1Fr——缓流1Fr——急流1Fr——临界流势能动能波速流速2222222hmgmvhgvhgvcvFr3、断面比能法z0hcosθhzz0θ00vQ上图为一明渠非均匀流，以渠底为基准面，过水断面单位液重的总能量为22222gAaQhgavhEscoscos当底坡θ（6°）较小的渠道，cosθ≈1，则式中，Es为断面比能（断面单位能量）22222gAaQhgavhEs比较z0hcosθhzz0θ00vQ0202zEgavpzEsE和Es两者相差一个渠底高程，Es与渠底高程无关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d(,,)0dsEs0ddsEs断面比能曲线22222gAaQhgavhEsEsh渐近线1：横坐标为渐近线渐近线2：坐标轴成45°直线sEAh,,sEAh,0,0hgAAaQgAaQhhhEsdddddd3222122232111FrhgavgABaQhEsdd1232rFgABaQ当,流态为临界流min21,ssEEFr1232rFgABaQ当,流态为临界流min21,ssEEFr临界流方程132kkBgAaQFrkkBAgaQ32或Hk为临界水深ksshhEEFr,1,min2EsminhhkEs0dd011:22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs当缓流缓流急流hEsminhkEs临界流0ddhEs0hEsdd0dd011:22232khEFrhgAaQBgAaQFrhhs当急流缓流急流hEsminhkEs临界流0ddhEs0hEsdd断面比能的变化规律h1h2Es2Es12121k2121k,if,ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k,if,ifssssEEhhhhEEhhhhhhkEsh1h2Es2Es12121k2121k,if,ifssssEEhhhhEEhhhh2121k2121k,if,ifssssEEhhhhEEhhhh4、临界水深及其计算临界流方程kkkkBAgQBgAQFr3232or11.矩形断面明渠322gbQhk2.任意断面的明渠为含hk的高次隐函数式，不能直接求解hkgQBAkk23试算法、试算图解法Hk与渠道断面形状、尺寸、流量有关，与n、i无关kkkbhAbB,khh：缓流，khh：急流khh：临界流，在棱柱体渠道中，当断面形状、尺寸和流量一定时，均匀流正常水深h0=hk时，所对应的渠底底坡称为临界底坡ik。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Q、糙率n、断面形状尺寸有关.5、临界坡度法kkkkkkkkBCgBRCgAi22kkBAgQ32RiCAQ由：临界坡陡坡缓坡;;;kkkiiiiii临界坡临界流陡坡急流缓