《明渠恒定均勻流》ppt課件

1、重慶交通大學(xué)水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)課程重慶交通大學(xué)水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)課程第第5 5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流Steady uniform flow in open channel重慶交通大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)根底課程重慶交通大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)根底課程重慶交通大學(xué)水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)課程重慶交通大學(xué)水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)課程1.1.明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生的條件明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生的條件. .2.2.明渠均勻流水力計(jì)算根本公式及其運(yùn)用明渠均勻流水力計(jì)算根本公式及其運(yùn)用. .3.3.水力最正確斷面的概念及梯形斷面水力最優(yōu)寬深比條水力最正確斷面的概念及梯形斷面水力最優(yōu)寬深比

2、條件件. .第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流本章重點(diǎn)本章重點(diǎn):重慶交通大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)根底課程重慶交通大學(xué)港口航道與海岸工程專業(yè)根底課程第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠：具有與大氣相接觸的自在外表的流動(dòng)形狀。明渠：具有與大氣相接觸的自在外表的流動(dòng)形狀。 草街航電樞紐草街航電樞紐第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流明明渠渠與時(shí)間能否有關(guān)與時(shí)間能否有關(guān)明渠恒定流明渠恒定流 明渠非恒定流明渠非恒定流 流線平行與否流線平行與否明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠恒定非均勻流明渠恒定非均勻流 明渠恒定流明渠恒定流 第第5章章 明渠

3、恒定均勻流明渠恒定均勻流 明渠水流的分類明渠水流的分類F明渠恒定均勻流的受力特點(diǎn)分析明渠恒定均勻流的受力特點(diǎn)分析 受力情況：受力情況：(1)重力重力G；(2)動(dòng)水壓力動(dòng)水壓力FP1、FP2；(3)邊境摩阻力邊境摩阻力Ff ； 由于是均勻流動(dòng)，在流動(dòng)方向的外力應(yīng)相互平衡：由于是均勻流動(dòng)，在流動(dòng)方向的外力應(yīng)相互平衡：12sin0PPfFGFF 意義：在明渠均勻流中摩阻力意義：在明渠均勻流中摩阻力Ff Ff 與水流重力在流與水流重力在流動(dòng)方向的分力相平衡。動(dòng)方向的分力相平衡。對(duì)于均勻流：對(duì)于均勻流：12PPFFsinfGF第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 5.1.1 明渠的橫斷面明渠的橫斷面

4、 其中，其中，m為邊坡系數(shù)；為邊坡系數(shù)；cotm第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 梯形斷面的斷面參數(shù)：梯形斷面的斷面參數(shù)： 水面寬度：水面寬度：2(2 )Bbmhm h 過水?dāng)嗝婷娣e：過水?dāng)嗝婷娣e：()Abmh h 濕周：濕周：221bhm 水力半徑：水力半徑：2()21Abmh hRbhm第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 典型過水?dāng)嗝娴臄嗝鎱?shù)：典型過水?dāng)嗝娴臄嗝鎱?shù)：第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.1 明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的

5、影響明渠的類型及其對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響 棱柱體渠道：斷面外形、尺寸及底坡均沿程不變的順直渠道。棱柱體渠道：斷面外形、尺寸及底坡均沿程不變的順直渠道。 反之，那么稱為非棱柱體渠道。反之，那么稱為非棱柱體渠道。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流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，由于斷面外形、尺寸及底坡等沿程發(fā)在非棱柱體渠道中，由于斷面外形、尺寸及底坡等沿程發(fā) 生變化，流線不會(huì)是平行的直線，故水流不能夠構(gòu)成均勻流動(dòng)。生變化，流線不會(huì)是平行的直線，故水流不能夠構(gòu)成均勻流動(dòng)。 5.1.2 明渠的底坡明渠的底坡均勻流均勻流 0i 順坡明渠順坡明渠

6、程度明渠程度明渠 0i 逆坡明渠逆坡明渠 0i 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流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，用明渠渠底縱向傾斜的程度，用i i 表示，表示， 。 5.2.1 明渠均勻流的特性明渠均勻流的特性第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生條件；明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生條件； 總水頭線、水面線和底坡線三者相互平行?？偹^線、水面線和底坡線三者相互平行。 流動(dòng)特性流動(dòng)特性 過水?dāng)嗝娴牧魉俜植?、斷面平均流速沿程不變；因過水

7、斷面的流速分布、斷面平均流速沿程不變；因此，動(dòng)能此，動(dòng)能 修正系數(shù)和流速水頭也沿程不變。修正系數(shù)和流速水頭也沿程不變。能量特性能量特性 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件 過水?dāng)嗝娴耐庑?、尺寸及水深沿程不變。過水?dāng)嗝娴耐庑?、尺寸及水深沿程不變。幾何特性幾何特?第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件F均勻流水深的取法均勻流水深的取法 5.2.2 明渠均勻流產(chǎn)生的條件明渠均勻流產(chǎn)生的條件 均勻流的近似均勻流的近似 水流應(yīng)為恒定流。水流應(yīng)為恒定流。恒定流恒定流 流

8、量應(yīng)沿程不變。流量應(yīng)沿程不變。單一流單一流 渠道必需是長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，糙率沿程不變。渠道必需是長(zhǎng)直的棱柱體順坡明渠，糙率沿程不變。 順坡流順坡流 渠道中無閘、壩等各種水工建筑物的干擾。渠道中無閘、壩等各種水工建筑物的干擾。無干擾無干擾第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.2 明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流的特性及其產(chǎn)生條件明渠均勻流計(jì)算公式明渠均勻流計(jì)算公式延續(xù)方程延續(xù)方程 謝才公式謝才公式 QAvvCRJ對(duì)明渠均勻流對(duì)明渠均勻流J=iQAvAC Ri第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.3 明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流的計(jì)算公式明渠均勻流水力計(jì)算根本公式及其運(yùn)用；

9、明渠均勻流水力計(jì)算根本公式及其運(yùn)用； 5.4.1水力最正確斷面水力最正確斷面 符合該條件的斷面，工程量最小，稱水力最正確斷面。符合該條件的斷面，工程量最小，稱水力最正確斷面。5/3 1/21/62/3 1/22/3111AiARRiARinnn 將曼寧公式：將曼寧公式：1/61CRnQACRi第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面的概念及梯形斷面水力最優(yōu)寬深比條件；水力最正確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：?jiǎn)栴}的提出： 在經(jīng)過的流量一定時(shí)，如何使過水?dāng)嗝婷娣e最小？在經(jīng)過的流量一定時(shí)，如何使過水?dāng)嗝婷娣e

10、最小？ 在面積一定情況下，如何使流量到達(dá)最大？在面積一定情況下，如何使流量到達(dá)最大？QAACRiv由幾何知識(shí)知：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。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)踐中常采用由于半圓形斷面不便于施工，因此，實(shí)踐中常采用 梯形斷面。梯形斷面。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速5 / 3 1/ 22 / 31AiQn(1)當(dāng)當(dāng)n, i , A一定時(shí)一定時(shí), 越小，越小，

11、Q越大越大(2)當(dāng)當(dāng)n, i , Q一定時(shí)一定時(shí), 越小，越小，A越小越小F梯形斷面水力最正確斷面的推梯形斷面水力最正確斷面的推求求 根據(jù)水力最正確斷面的含義，有：根據(jù)水力最正確斷面的含義，有：AConstMin 即：即：2200,0dAdhdddhdh 而：而：()Abmh h221bhm第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速22 10ddbmdhdh()0dAdbbmhhmdhdhF梯形水力最正確斷面的寬深比梯形水力最正確斷面的寬深比b/hb/h僅與邊坡系數(shù)僅與邊坡系數(shù)m m有關(guān)。有關(guān)。 又：又：222()212 1m hAbmh

12、hRbhmmh22( 1)( )mbmmf mh第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速2mmhR可得：可得：F梯形水力最正確斷面的水力半徑等于水深的一半。梯形水力最正確斷面的水力半徑等于水深的一半。22 12mbmmh2mmbh2mmhR 對(duì)于矩形對(duì)于矩形m = 0第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速 不難證明，矩形或梯形水力最正確斷面實(shí)踐是半不難證明，矩形或梯形水力最正確斷面實(shí)踐是半圓圓 的外切多邊形斷面。的外切多邊形斷面。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力

13、最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速 對(duì)普通土渠，對(duì)普通土渠，m 0, m 0, ；即梯形水力最正確斷面；即梯形水力最正確斷面通通 常為窄而深斷面，這種斷面工程量雖小，但不便施工及常為窄而深斷面，這種斷面工程量雖小，但不便施工及維維 護(hù)，故無襯護(hù)的大型土渠不宜采用梯形水力最正確斷面。護(hù)，故無襯護(hù)的大型土渠不宜采用梯形水力最正確斷面。1m 5.4.2 允許流速允許流速 渠道中的流速渠道中的流速v v應(yīng)小于不沖允許流速應(yīng)小于不沖允許流速vv，以保證，以保證渠道免遭沖刷渠道免遭沖刷( (表表5-3)5-3)； 渠道中的流速渠道中的流速v v應(yīng)大于不淤流速應(yīng)大于不淤流速v v，以保證水流，以保

14、證水流中懸浮的泥沙不淤積在渠道中；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)條件及運(yùn)用管理方面的要求。技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件及運(yùn)用管理方面的要求。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速F m知時(shí)，知時(shí)， 是知的。是知的。 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.4 水力最正確斷面及允許流速水力最正確斷面及允許流速 思索題：思索題：5.1 5.2 5.3 習(xí)題：習(xí)題：5.

15、1 5.2 5.3本講作業(yè)本講作業(yè)(第四版第四版)上冊(cè)上冊(cè)P213頁(yè)習(xí)題頁(yè)習(xí)題5.1、5.2、5.3第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 普通情況下，邊坡系數(shù)普通情況下，邊坡系數(shù)m及粗糙系數(shù)及粗糙系數(shù)n是根據(jù)渠道護(hù)是根據(jù)渠道護(hù) 面面資料的種類，用閱歷方法來確定。因此，工程實(shí)際中所資料的種類，用閱歷方法來確定。因此，工程實(shí)際中所 提提出的明渠均勻流的水力計(jì)算問題，主要有以下幾種類型：出的明渠均勻流的水力計(jì)算問題，主要有以下幾種類型： 對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存在著以下函數(shù)關(guān)系對(duì)于梯形渠道，各水力要素間存

16、在著以下函數(shù)關(guān)系()QAC Rif mbhin， ， ，第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 1、知渠道的斷面尺寸、知渠道的斷面尺寸b、m、h及底坡及底坡i、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù) n，求經(jīng)過的流量求經(jīng)過的流量Q(或流速或流速v)。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻

17、流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 2、知渠道的設(shè)計(jì)流量、知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡、底坡i、底寬、底寬b、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m 和和粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n，求水深，求水深h。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算(2)迭代法迭代法 (略略) 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 3、知渠道的設(shè)計(jì)流量、知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、底坡、

18、底坡i、水深、水深h、邊坡系數(shù)、邊坡系數(shù)m 及及粗糙系數(shù)粗糙系數(shù)n，求渠道底寬，求渠道底寬b。 這一類問題的計(jì)算方法，與前一類求這一類問題的計(jì)算方法，與前一類求h的方法類似，也的方法類似，也是采用試算是采用試算-圖解法或查圖法。圖解法或查圖法。 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流 4、知渠道的設(shè)計(jì)流量、知渠道的設(shè)計(jì)流量Q、水深、水深h、底寬、底寬b、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù) n及邊坡系數(shù)及邊坡系數(shù)m，求底坡，求底坡i。5

19、.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算 5、知流量、知流量Q、流速、流速v、底坡、底坡i 、粗糙系數(shù)、粗糙系數(shù)n和邊坡系和邊坡系 數(shù)數(shù)m，要求設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。，要求設(shè)計(jì)渠道斷面尺寸。第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.5 明渠均勻流的水力計(jì)算明渠均勻流的水力計(jì)算5.6.1 斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流水力計(jì)算斷面周界上粗糙度不同的明渠均勻流水力計(jì)算 第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗

20、糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(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。非均質(zhì)渠道：濕周的各部分具有不同粗糙系數(shù)的渠道。處置方法：處置方法： 各部分不同的糙率按綜合糙率各部分不同的糙率按綜合糙率(等效糙率等效糙率)一致計(jì)算。一致計(jì)算。1、當(dāng)渠底糙率小于兩岸糙率時(shí)、當(dāng)渠底糙率小于兩岸糙率時(shí)22112212rnnn綜合糙率：綜合糙率：2、普通情況下，可按加權(quán)平均估算、普通情況下，可按加權(quán)平均估算112212rnnn第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算5.6.2 復(fù)式斷面明渠均勻流的水力計(jì)算復(fù)式

21、斷面明渠均勻流的水力計(jì)算 假設(shè)仍按均勻流公式計(jì)算：假設(shè)仍按均勻流公式計(jì)算：會(huì)得到不合理的結(jié)果！會(huì)得到不合理的結(jié)果！QACRi第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIQA CR iKiQA CR iKiQA CR iKi1(.)()nIIIIIIIIInIIQQQQKKKiKi第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同

22、及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流5.6 粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算粗糙度不同及復(fù)式明渠的水力計(jì)算本章小結(jié)本章小結(jié)第第5章章 明渠恒定均勻流明渠恒定均勻流1、明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生條件；、明渠均勻流的水力特性及產(chǎn)生條件；(1) 水力特性水力特性 總水頭線、水面線和底坡線三者相互平行?？偹^線、水面線和底坡線三者相互平行。流動(dòng)特性流動(dòng)特性 過水?dāng)嗝娴牧魉俜植肌嗝嫫骄魉傺爻滩蛔?；因過水?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；此，動(dòng)能修正系數(shù)和流速水頭也沿程不