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环球网校学员专用资料第1页/共8页流体力学第六节明渠恒定流一.明渠均匀流的水力特征和形成条件明渠流：具有自由表面的水流（重力流）。均匀流：流线是平行直线的水流。（流速沿程不变，无局部损失）明渠均匀流的水力特征：J-水力坡度（总水头线坡度）JP-水面线坡度（测压管水头线坡度）i-渠道底坡由于自由表面上均为大气压，测压管水头等于水深，测压管水头线即为水面线明渠均匀流水深、速度----都沿程不变渠道底坡i顺坡渠道逆坡渠道平坡渠道顺坡、逆坡、平坡渠道，水面线一定是沿流程下降的。维持明渠流动的动力:上游的动力用于:重力（上下游位置差）克服沿程能量损失环球网校学员专用资料第2页/共8页动能（上游速度水头）维持下游速度水头即：则上游、下游速度不变，为明渠均匀流根据：明渠均匀流的形成条件为：1)渠道为长直棱柱形顺坡渠道（i0）；2)渠底坡度i和粗糙系数n沿流程不变；3)水流为恒定流，且沿程流量不变;4)沿流程无局部障碍。说明：长直棱柱形渠道：渠道断面沿程不变，Q不变时,V不变，阻力规律不变。顺坡渠道：△Z为正值，G△Z为正值。逆坡、平坡渠道△Z为负值或为零，只有减速.流量不变、无局部障碍：为均匀流基本条件。题6-48：明渠均匀流形成条件例6-48（2009年）明渠均匀流只能发生在（）A顺坡棱柱形渠道B平坡棱柱形渠道C逆坡棱柱形渠道D变坡棱柱形渠道解：明渠均匀流只能发生在顺坡棱柱形渠道上。答案：A二明渠均匀流基本公式和水力要素1、明渠均匀流的基本公式断面平均流速：环球网校学员专用资料第3页/共8页谢才系数:水力半径:水力坡度=渠道底坡湿周：谢才公式：题6-49（2008年）明渠均匀流的流量一定，渠道断面形状、尺寸和壁面粗糙一定时，正常水深随底坡增大而（）A增大B减小C不变D不确定注：正常水深---发生明渠均匀流时的水深解：由谢才-曼宁公式随底坡增大流速增大流量不变，棱柱形渠道，断面形状不变，流速增大，正常水深必然减小。答案：B题6-50相同二明渠均匀流基本公式和水力要素2、明渠均匀流的基本参数梯形渠道横断面h水深B水面宽度b底宽m边坡系数边坡角环球网校学员专用资料第4页/共8页明渠横断面的水力要素：（以梯形断面为例）水面宽：过水断面面积：湿周：水力半径：边坡系数：不满流圆管断面参数水面宽度：B水深：h管径：d充满角：θ充满度：无压圆管均匀流的水力计算不满流圆管水力要素为：过流断面面积：湿周：水力半径：充满度：充满度α与充满角的关系为：θ为充满角三明渠水力最佳断面和允许流速1.水力最佳断面环球网校学员专用资料第5页/共8页过流断面面积A、粗糙系数n及渠底坡度i一定时，输水能力最大的断面形状。根据明渠均匀流的基本公式有：根据上式可知：i、n、A的大小一定的情况下，湿周χ越小，渠道的流量Ｑ越大。故：圆形断面水力最佳梯形断面次之。明渠水力最佳断面梯形渠道水力最佳断面的宽深比：矩形断面ｍ=0，水力最佳宽深比为:=2b=2h水力最佳≠技术经济最佳水力最佳断面是一种窄深式渠道，水力最佳断面多应用于小型渠道中，应用于大型渠道中,不一定技术经济最优。2.允许流速为了防止渠道中发生冲刷或淤积，保证渠道稳定的输水能力，设计时应保证：免遭冲刷的最大允许流速，简称不冲允许流速；免遭淤积的最小允许流速，简称不淤允许流速。四明渠均匀流水力计算基本问题1.明渠均匀流基本公式：2.梯形断面的水力计算（几类问题）：第一类：验算渠道的输水能力环球网校学员专用资料第6页/共8页已知i、n、m、b、，求渠道的输水能力Q第二类：求渠道壁面粗糙系数n值已知Q、b、，m、i，求渠道粗糙系数n第三类：设计渠道底坡已知Q、b、，m、n、设计渠道底坡i第四类：设计渠道断面尺寸已知Q、i，m、n、设计渠道断面尺寸b、h第五类：根据最大允许流速，设计渠道断面尺寸第一类：已知i、n、m、b、，求渠道的输水能力Q第二类：已知Q、b、，m、i，求渠道粗糙系数n第三类：已知Q、b、，m、n、设计渠道底坡i直接将已知条件代入明渠均匀流基本公式求解即可：第四类：设计渠道断面尺寸已知Q、i，m、n、设计渠道断面尺寸b、h。一个公式，求断面尺寸b、h两个参数，无法求解。必须补充宽深比的条件。第五类：根据最大允许流速，设计渠道断面尺寸R四明渠均匀流水力计算基本问题题6-51（2006）对于明渠恒定均匀流，在已知流量Q、底坡i，边坡系数m、粗糙系数n的条件下，计算梯形断面渠道尺寸的补充条件及设问不能是（）（A）给定水深h，求底宽b（B）给定宽深比β，求水深h、底宽b（C）给定最大允许流速求水深h、底宽b（D）给定水力坡度J，求水深h、底宽b环球网校学员专用资料第7页/共8页属于第四类：一个公式，求断面尺寸b、h两个参数，无法求解。必须补充一个条件。前三个选项，给出水深、宽深比或允许流速都可以求解。明渠均匀流：故J是已知条件，给出水力坡度的条件没有意义。答案：D五明渠非均匀流基本概念（一）.明渠非均匀流的发生条件渠道中修建任意形式的水工建筑物，就破坏了明渠均匀流发生条件，造成流速、水深沿程变化，从而产生了明渠非均匀流流动。明渠非均匀流的水力特点：发生明渠非均匀流的条件：任意一条明渠均匀流的条件不能满足，即发生非均匀流。即流速变化、水深变化的流动。明渠均匀流的形成条件为：1)渠道为长直棱柱形顺坡渠道（i0）；2)渠底坡度i和粗糙系数n沿流程不变；3)水流为恒定流，且沿程流量不变;4)沿流程无局部障碍。（二）明渠非均匀流的四种水力现象：壅水、降水、水跃、跌水渐变流急变流环球网校学员专用资料第8页/共8页（三）明渠非均匀流的流动状态缓流、急流、临界流及其判别标准：根据水流速与波速的相互关系，区分明渠水流的缓急，可将明渠非均匀流分为：缓流、急流、临界流缓流、急流、临界流的判别标准-----佛罗德数：佛罗德数的物理意义：反映了过流断面平均动能与平均势能的对比关系，即表示水流中惯性力与重力的对比关系。缓流、急流、临界流及其判别标准临界速度vc：水流速度v=微波波速c时的速度vc时：缓流，干扰波可以向上游传播，也可以向下游传播vc时：急流，干扰波不能向上游传播，只能向下游传播闸下出流时形成水跃水深沿渠道急剧变化时形成壅水曲线和降水曲线渠道的跌坎处形成跌水