明渠恒定均勻流PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流第5章 明渠恒定均勻流本章重點(diǎn):重慶交通大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)基礎(chǔ)課程第1頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流 明渠：具有與大氣相接觸的自由表面的流動(dòng)形態(tài)。第2頁(yè)/共56頁(yè) 草街航電樞紐第5章 明渠恒定均勻流第3頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流第4頁(yè)/共56頁(yè)明渠與時(shí)間是否有關(guān)明渠恒定流 明渠非恒定流 流線平行與否明渠恒定均勻流 明渠恒定非均勻流 明渠恒定流 第5章 明渠恒定均勻流 明渠水流的分類第5頁(yè)/共56頁(yè)F明渠恒定均勻流的受力特點(diǎn)分析 受力情況：(1)重力G；(2)動(dòng)水壓力FP1、FP2；(3)邊界摩阻力Ff ； 由于是均勻流動(dòng)，在流動(dòng)方向的外力

2、應(yīng)相互平衡：12sin0PPfFGFF 意義：在明渠均勻流中摩阻力Ff 與水流重力在流動(dòng)方向的分力相平衡。對(duì)于均勻流：12PPFFsinfGF第5章 明渠恒定均勻流第6頁(yè)/共56頁(yè)明渠的橫斷面 其中，m為邊坡系數(shù)；cotm第5章 明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響第7頁(yè)/共56頁(yè) 梯形斷面的斷面參數(shù)： 水面寬度：2(2 )Bbmhm h 過水?dāng)嗝婷娣e：()Abmh h 濕周：221bhm 水力半徑：2()21Abmh hRbhm第5章 明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響第8頁(yè)/共56頁(yè) 典型過水?dāng)嗝娴臄嗝鎱?shù)：第5章 明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水

3、流運(yùn)動(dòng)的影響第9頁(yè)/共56頁(yè) 棱柱體渠道：斷面形狀、尺寸及底坡均沿程不變的順直渠道。 反之，則稱為非棱柱體渠道。第5章 明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響F 在非棱柱體渠道中，由于斷面形狀、尺寸及底坡等沿程發(fā) 生變化，流線不會(huì)是平行的直線，故水流不可能形成均勻流動(dòng)。 第10頁(yè)/共56頁(yè) 明渠的底坡均勻流 0i 順坡明渠 水平明渠 0i 逆坡明渠 0i 第5章 明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響sini明渠渠底縱向傾斜的程度，用i 表示， 。 第11頁(yè)/共56頁(yè)明渠均勻流的特性第5章 明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生

4、條件； 第12頁(yè)/共56頁(yè) 總水頭線、水面線和底坡線三者相互平行。 流動(dòng)特性 過水?dāng)嗝娴牧魉俜植肌嗝嫫骄魉傺爻滩蛔?；因此，?dòng)能 修正系數(shù)和流速水頭也沿程不變。能量特性 第5章 明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件 過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變。幾何特?第13頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件F均勻流水深的取法 第14頁(yè)/共56頁(yè)明渠均勻流產(chǎn)生的條件 均勻流的近似 水流應(yīng)為恒定流。恒定流 流量應(yīng)沿程不變。單一流 渠道必須是長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，糙率沿程不變。 順坡流 渠道中無閘、壩等各種水工建筑物的干擾。無干擾第5章 明渠恒定均勻流5

5、.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件第15頁(yè)/共56頁(yè)明渠均勻流計(jì)算公式連續(xù)方程 謝才公式 QAvvCRJ對(duì)明渠均勻流J=iQAvAC Ri第5章 明渠恒定均勻流5.3 明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流水力計(jì)算基本公式及其應(yīng)用； 第16頁(yè)/共56頁(yè)水力最佳斷面 符合該條件的斷面，工程量最小，稱水力最佳斷面。5/3 1/21/62/3 1/22/3111 AiARRiARinnn 將曼寧公式：1/61CRnQACRi第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速水力最佳斷面的概念及梯形斷面水力最優(yōu)寬深比條件； 問題的提出： 在通過的流量一定時(shí)，如何使過水?dāng)嗝婷娣e最?。?在面積一定情況下，如何使

6、流量達(dá)到最大？QAACRiv第17頁(yè)/共56頁(yè)由幾何知識(shí)知： 當(dāng)面積一定時(shí)，圓形斷面的濕周最小，水力半徑最 大，而半圓形斷面與圓形斷面水力半徑相等。 由于半圓形斷面不便于施工，因此，實(shí)際中常采用 梯形斷面。第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速5 / 3 1/ 22 / 31AiQn(1)當(dāng)n, i , A一定時(shí), 越小，Q越大(2)當(dāng)n, i , Q一定時(shí), 越小，A越小第18頁(yè)/共56頁(yè)F梯形斷面水力最佳斷面的推求 根據(jù)水力最佳斷面的含義，有：AConstMin 即：2200,0dAdhdddhdh 而：()Abmh h221bhm第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及

7、允許流速第19頁(yè)/共56頁(yè)22 10ddbmdhdh()0dAdbbmhhmdhdhF梯形水力最佳斷面的寬深比b/h僅與邊坡系數(shù)m有關(guān)。 又：222()212 1m hAbmh hRbhmmh22( 1)( )mbmmf mh第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速第20頁(yè)/共56頁(yè)2mmhR可得：F梯形水力最佳斷面的水力半徑等于水深的一半。22 12mbmmh2mmbh2mmhR 對(duì)于矩形m = 0第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速第21頁(yè)/共56頁(yè) 不難證明，矩形或梯形水力最佳斷面實(shí)際是半圓 的外切多邊形斷面。第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流

8、速 對(duì)一般土渠，m 0, ；即梯形水力最佳斷面通 常為窄而深斷面，這種斷面工程量雖小，但不便施工及維 護(hù)，故無襯護(hù)的大型土渠不宜采用梯形水力最佳斷面。1m第22頁(yè)/共56頁(yè) 允許流速 渠道中的流速v應(yīng)小于不沖允許流速v，以保證渠道免遭沖刷(表5-3)； 渠道中的流速v應(yīng)大于不淤流速v”，以保證水流中懸浮的泥沙不淤積在渠道中； 對(duì)航運(yùn)渠道及水電站引水渠，渠中流速還需滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件及應(yīng)用管理方面的要求。第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速第23頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.4 水力最佳斷面及允許流速F m已知時(shí)， 是已知的。 第24頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.4

9、 水力最佳斷面及允許流速第25頁(yè)/共56頁(yè)第26頁(yè)/共56頁(yè)本講作業(yè)水力學(xué)(第四版)上冊(cè)P213頁(yè)習(xí)題5.1、5.2、5.3第5章 明渠恒定均勻流第27頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算 一般情況下，邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)n是根據(jù)渠道護(hù) 面材料的種類，用經(jīng)驗(yàn)方法來確定。因此，工程實(shí)踐中所 提出的明渠均勻流的水力計(jì)算問題，主要有下列幾種類型： 對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著下列函數(shù)關(guān)系()QAC Rif mbhin， ， ，第28頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算 1、已知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡i、粗糙系數(shù) n，求通過的流量Q(或流

10、速v)。第29頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第30頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第31頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第32頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第33頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算 2、已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、底寬b、邊坡系數(shù)m 和粗糙系數(shù)n，求水深h。第34頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第35頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算(2)迭代法 (略) 第36頁(yè)/共5

11、6頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算 3、已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡i、水深h、邊坡系數(shù)m 及粗糙系數(shù)n，求渠道底寬b。 這一類問題的計(jì)算方法，與前一類求h的方法類似，也是采用試算-圖解法或查圖法。 第37頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第38頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第39頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流 4、已知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、水深h、底寬b、粗糙系數(shù) n及邊坡系數(shù)m，求底坡i。5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第40頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第41頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠

12、恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算 5、已知流量Q、流速v、底坡i 、粗糙系數(shù)n和邊坡系 數(shù)m，要求設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。第42頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算第43頁(yè)/共56頁(yè)斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流水力計(jì)算 第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算非均質(zhì)渠道：濕周的各部分具有不同粗糙系數(shù)的渠道。處理方法： 各部分不同的糙率按綜合糙率(等效糙率)統(tǒng)一計(jì)算。第44頁(yè)/共56頁(yè)1、當(dāng)渠底糙率小于兩岸糙率時(shí)22112212rnnn綜合糙率：2、一般情況下，可按加權(quán)平均估算112212rnnn第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠

13、的水力計(jì)算第45頁(yè)/共56頁(yè)復(fù)式斷面明渠均勻流的水力計(jì)算 若仍按均勻流公式計(jì)算：會(huì)得到不合理的結(jié)果！QACRi第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第46頁(yè)/共56頁(yè)IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIQA CR iKiQA CR iKiQA CR iKi1(.)()nIIIIIIIIInIIQQQQKKKiKi第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第47頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第48頁(yè)/共56頁(yè)第5章 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第49頁(yè)/共56頁(yè)第5章

14、 明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第50頁(yè)/共56頁(yè)本章小結(jié)第5章 明渠恒定均勻流1、明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生條件；(1) 水力特性 總水頭線、水面線和底坡線三者相互平行。流動(dòng)特性 過水?dāng)嗝娴牧魉俜植?、斷面平均流速沿程不變；因此，?dòng)能修正系數(shù)和流速水頭也沿程不變；能量特性 過水?dāng)嗝娴男螤?、尺寸及水深沿程不變；幾何特?第51頁(yè)/共56頁(yè)本章小結(jié)第5章 明渠恒定均勻流(2) 產(chǎn)生條件 水流應(yīng)為恒定流。 恒定流 流量應(yīng)沿程不變。 單一流 渠道必須是長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，糙率沿程不變。 順坡流 渠道中無閘、壩等各種水工建筑物的干擾。無干擾第52頁(yè)/共56頁(yè)本章小結(jié)第5章 明渠恒定均勻流2、明渠均勻流水力計(jì)算基本公式及其應(yīng)用；明渠均勻流計(jì)算公式連續(xù)方程謝才公式QAvvCRJ對(duì)明渠均勻流J=iQAvAC Ri第53頁(yè)/共56頁(yè)本章小結(jié)第5章 明渠恒