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第7章 明渠均匀流 ppt课件

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水力学 第7章明渠均匀流

水力学 第7章明渠均匀流
求流量Q和流速v。
A = (b + mh0 ) h0 = (1.5 + 1.0 ×1.1) ×1.1 = 2.86m 2
χ = b + 2h0 1 + m 2 = 1.5 + 2 ×1.1× 1 + 1 = 4.61m
R= A
χ
=
1
2.86 = 0.62m 4.61
1
1 1 C = R6 = × 0.62 6 = 33.58m 0.5 /s n 0.0275
∑χn
i =1 k i
k
i
∑χ
i =1
k
i
nc =
χ 1n + χ 2 n + L + χ k n χ1 + χ 2 + L + χ k
2 1 2 2
2 k
=
∑
i =1 k
χ i1 = C1 A1 R1i = K1 i
Q2 = C2 A2 R2i = K2 i
天然河道断面
梯形断面的水力要素
m = cot α
A = (b + mh)h
表7.1梯形断面的边坡系数
土 壤 种 类
细砂 细砂、中砂和粗砂 1.疏松的和中等密实的 2.密实的 沙壤土 粘壤土、黄土或粘土 卵石和砌石 半岩性的抗水的土壤 风化的岩石 未风化的岩石
边 坡 系 数m 3.0～3.5 2.0～2.5 1.5～2.0 1.5～2.0 1.25～1.5 1.25～1.5 0.5～1.0 0.25～0.5 0～0.25
第7章 章
7.1概述 概述
明渠均匀流
1.河道与渠道的区别 2.明渠水流具有自由表面 3.明渠水流可以是恒定流或非恒定流 4.明渠水流一般是阻力平方区的紊流

《明渠恒定均匀流》PPT课件

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2.00 1.00 6.00 16.00 11.66 1.37 0.025 42.17 0.00125 27.95
2.50 1.00 6.00 21.25 13.07 1.63 0.025 43.37 0.00125 41.55
3.00 1.00 6.00 27.00 14.49 1.86 0.025 44.37 0.00125 57.83
3.00 1.00 6.00 27.00 14.49 1.86 0.025 44.37 0.00125 57.83
3.33 1.00 6.00 31.04 15.41 2.01 0.025 44.95 0.00125 70.02
4.00 1.00 6.00 40.00 17.31 2.31 0.025 45.99 0.00125 98.86
沿程不变
底坡、水面坡度、总水头线互相平行
4
h J Jz i
J Jz v
i θ
vh
底坡、水面坡度、总水头线互相平行
5
明渠恒定均匀流
1 明渠均匀流特性 2 明渠均匀流的产生条件 3 明渠均匀流的水力计算 4 明渠均匀流的其他问题
6
充分必要条件
力学条件
渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的 分力始终平衡（大小相等，方向相反）
谢才系数C 反映断面形状、尺寸和边壁粗糙 程度的一个综合系数。常用曼宁 公式计算
R：水力半径，以米（m）计 n： 糙率
20
注意
n
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。
21
n
某渠设计时选 n = 0.015，竣工后实测0.016。设计 水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。 通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大， 可能造成水漫渠顶事故。

七章明渠均匀流ppt课件

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② 污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体。 故需要留出适当的空间，以利通风，防止爆炸。 ③ 管道部分充满时，管道内水流速度和流量比满流时大 一些。
0.24n 0.24 0.03
Q k i 76.55 0.0005 1.71m3 / s
§ 7-3 明渠水力最优断面和允许流速 §7-3 明渠水力最优断面和允许流速
1、水力最优断面
Q Ac Ri Q f i, n,断面形状，尺寸
水力最优断面：当 i、n 及 A 大小一定时，使渠道能通过的
A 为相应于正常水深 h 时的过水断面面积
正常水深（h0）：明渠均匀流的水深，沿程不变的水深。
在明渠均匀流中，断面尺寸和n一定， k f h
h0 f 断面尺寸, n,Q,i
对某一给定的渠道，则有 Q f h0
⑴曼宁公式（爱尔兰）
V
1
21
R3J 2
n
C
1
1
R6
n
§ 7-2 明渠均匀流的计算公式
§ 7-4 明渠均匀流水力计算的基本问题
解： Q Ac Ri k i
k Q 40 2305 m3 / s
i 0.0003
5
又 k Ac
R
A
1 n
1
R6
1 R 2
A
R
2 3
n
A3
2
n 3
A b mhh b 1.5 2.65 2.65 b 3.97 2.65
b 2h 1 m2 b 2 2.65 11.52 b 9.54
i z 0.5 0.0005 L 1000
A b mhh 3 1.5 0.8 0.8 3.36m2
b 2 1 m2 h 3 20.8 11.52 5.88m

第7章 明渠均匀流

第7章 明渠均匀流

α
b
梯形断面
26
梯形断面的边坡系数 m
• 梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌， 边坡的稳定性及边坡系数m选择由土壤力学性质决定。
岩土种类 未风化的岩石 风化的岩石 半岩性耐水土壤 卵石和砂砾 粘土、硬或半硬粘壤土 松软粘壤土、砂壤
细砂 粉砂
边坡系数 m(水下部分)
1～0.25 0.25～0.5 0.5～1 1.25～1.5 1～1.5 1.25～2 1.5～2.5 3～3.5
情况不好，n=0.045-0.060; 杂草丛生，0.075-0.150）
精选完整ppt课件 20
（四）水力最佳断面及允许流速
精选完整ppt课件 21
1. 水力最佳断面
水力最优断面：指当渠道底坡、糙率及面积大小一定时，通 过最大流量时的断面形式。
51
Q ACRi
1Ai12R23 n
1A3i 2
n
vmax m s
1.6 2.0 3.0 4.0
• 最小流速要求：v>0.3-0.4m/s（避免水草滋生）
精选完整ppt课件 31
（五）明渠均匀流的水力计算
精选完整ppt课件 32
明渠均匀流的水力计算有3种类型：
（1）验算已设计好渠道的输水能力：
已知b、h、m、i、n，求Q。
由均匀流计算基本公式：
精选完整ppt课件 15
3. 思考题
思考题1：明渠均匀流可能发生在： A、平坡棱柱形渠道； B 、顺坡棱柱形渠道； C、逆坡棱柱形渠道； D、都有可能；
思考题2：非棱柱体渠道中，流线也会是平行直线，故水流也可能 形成均匀流。
A、正确；
B 、错误；
思考题3：各种渠道中：①平底坡渠道；②正底坡、长直渠道；③正 底坡、棱柱形，长直渠道；④正底坡、非棱柱形渠道；⑤逆坡底渠 道；能否产生均匀流？为什么？

《眀渠恒定流动》PPT课件

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汇出，即流量不变。
均匀流
i＞0
10
二、明渠均匀流基本公式
1.明渠均匀流水力计算的基本公式
V C RJ C Ri
qv AV AC Ri K i
式中：R——水力半径（m），R=A/χ； χ——过水断面湿周，（m）； J——水力坡度； C——谢才系数（m1/2/s）。 K——明渠均匀流的流量模数， K AC R A——明渠均匀流正常水深的过水断面面积。 11
§7-1 明渠的分类
明渠(channel)：是人工渠道、天然河道以及不 满流管道统称为明渠。
明渠流(channel flow)：具有自由液面的流动称 为明渠流或无压流(free flow)。
S
2
S
明渠流动的特点
1.具有自由液面，为无压流(满管流为有压流)； 2.湿周是过水断面固体壁面与液体接触部分的周长； 3.重力是流体流动的动力，为重力流(管流则是压力)； 4.渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则流
1.水深h已定，求相应的底宽b
b
K AC R f (b)
K0
qv i
b
2.底宽b已定，求相应的水深h
b
k k0 h
K AC R f (h)
K0
qv i
h
h0
k
k0
22
3.宽深比β已定，求相应的b和h
小型渠道，按水力最优设计； b 2 1 m2 m h
大型土渠，考虑经济条件； b 3 ~ 5 h
问题
1. 水力最优断面是：
A、造价最低的渠道断面；
B、壁面粗糙系数最小的断面；
C、对一定流量具有最大断面面积的断面；
D、对一定的面积具有最小湿周的断面。
2. 顺坡明渠的底坡i：

明渠均匀流

明渠均匀流

b 2h0 1 m 2
1 1/6 R ,C R n 1 (b mh0 )h0 Q AC Ri =(b mh0 )h0 n b 2h0 1 m 2
2 3
A
i 显然，在上式中如Q，m，n，i为已知，b、h0为未知， 直接求解很困难，具体计算有三种类型（见下页）
（1）已知渠道的设计流量Q、底坡i、底宽 b、边坡系数m和粗糙系数n，求水深h。 （2）已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深 h、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。 （3）已知渠道的设计流量Q、底坡i、宽深 比β=b/h0、边坡系数m及粗糙系数n，求渠道 底宽b及h0。 h0称为正常水深。
例断面，根据水力最佳断面的条件：
dA d 0, 0 dh 最小值 dh A (b mh)h A b 2h 1 m mh 2h 1 m 2 h b 佳 = 2( 1 m 2 m) f (m) h 上式表明：梯形水力最佳断面的b / h值仅与边
v不淤 v v不冲 v不冲见表6-5 v不淤见相关手册
例题6-4
三、渠道的综合糙率问题
由于不同材料具有不同的粗糙系数，因此，当明 渠的渠底和渠壁采用不同材料的时，粗糙系数会沿 湿周发生变化． 当渠道底部的粗糙系数小于侧壁的粗糙系数时， 按照下式计算
2 n12 X 1 n2 X 2 n1 X 1 n2 X 2 n综 或n综 X1 X 2 X1 X 2
3、明渠底坡 明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符 号i表示，等于渠底线与水平线夹角的正弦， 即 i sin
顺坡明渠
平坡明渠
逆坡明渠
只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。
6-2 明渠均匀流的特性及其生产条件 一、明渠均匀流的特性 1．过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。 2．过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程 不变；因而，水流的动能修正系数及流速水头也沿 程不变。 3．总水头线、水面线及底坡线三者相互平行， 即

《明渠均匀流》课件

均匀流验证
通过水力学模型试验或数值模拟，验 证溢洪道是否满足明渠均匀流的条件 ，确保设计的有效性。
城市排水系统的明渠均匀流优化
优化目标
城市排水系统在雨季需要快速 、有效地排放雨水，避免内涝 灾害，明渠均匀流是实现这一
目标的关键。
管道布局
根据城市地形和雨水排放需求 ，合理规划排水管道的布局， 确保水流顺畅。
流量计算
根据已知的水头和管道截面积计算流量。
水头损失计算
根据伯诺里方程计算水头损失。
阻力损失计算
根据达西公式计算沿程阻力损失，根据谢 才公式计算局部阻力损失。
水力效率计算
根据水头损失和流量计算水力效率。
参数选择与校核
01 参数选择
根据实际工程需要选择合适的管道材料、管径、 粗糙度等参数。
02 校核内容
02 斯拉egan cheer堞
05
明渠均匀流的案例分析
某河流的明渠均匀流分析
案例概述
某河流在某一河段呈现出明渠均匀流 的特征，该河段具有代表性的地理、 水文条件，适合进行明渠均匀流的分
析。
水深确定
根据流速分布和水力学原理，确定该 河段的合理水深，以满足明渠均匀流
的条件。
流速分布
通过实测数据或模拟计算，分析该河 段内的流速分布，探究流速与断面宽 度的关系。
动量方程
总结词
描述水流受到外力作用时的运动变化
详细描述
动量方程是关于水流动量的守恒方程，它反映了水流在外力作用下的运动变化 规律。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，动量方程可以简化为一个简单的 形式，便于分析和计算。
能量方程
总结词
描述水流能量的转化和损失
详细描述
能量方程是描述水流能量转化和损失的方程，它包括了水流的重力势能、动能和 阻力损失等能量要素。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，能量方程可以简化 为一个简单的形式，便于分析和计算。

《明渠流动》课件


河流的渠化
1 渠化的目的
河流的渠化是为了改善河道的水流状况，提 高水流的稳定性和可控性，以满足人们的需 求。
2 渠化的方法
渠化的方法包括疏浚、筑堤和修建防洪设施 等，以改变河道的形态和流动特性。
明渠流动的计算
1
曼宁公式
曼宁公式是用于计算明渠流量的常用公
罗斯公式
2
式，通过考虑渠道的形态和粗糙程度来 预测水流的流量。
2 动水压力
动水压力是指水在流动中由于速度和变化形态而产生的压力，需要考虑水流的速度和渠 道的几何形状。
3 损失
明渠流动存在各种损失，包括摩擦阻力、进出口损失和弯曲损失等，需要在水力计算中 进行考虑。
明渠流量计
浮子流量计
浮子流量计是一种常见的明渠流 量计，通过观察浮子在水流中的 位置来测量流量。
水位法流量计
《明渠流动》PPT课件
明渠流动是一种重要的水力学现象，应用广泛。本课件将介绍明渠流动的基 本概念、明渠和管流的特点、河流的渠化以及明渠的计算和应用。
简介
什么是明渠流动
明渠流动是指水流在明渠中自由流动的现象。 明渠中没有遮蔽物，水流的信息可以直接观察 到。
明渠流动的应用场景
明渠流动广泛应用于农田灌溉、武装巡逻以及 防汛救灾等领域，发挥着重要的作用。
天然明渠是自然形成的河道，而人工明 渠是人工开挖的水道。
明渠具有流域面积广、水流形态稳定以
及流量计算简便等特点。
管流
管流的优缺点
管流适用于小范围内的水流控制，但管道的使用成 本较高，且易受管道堵塞等问题影响。
管流的应用场景
管流广泛应用于城市供水、工业生产以及排污系统 等领域，提供了便捷的水流控制方式。
防汛救灾

第七章明渠均匀流PPT课件

m (2 1 m2 m)h
最优水力半径
Rm
h 2
第17页/共24页
梯形断面的边坡系数 m
梯形断面是最常见的一种人工渠道，一般不加衬砌， 边坡的稳岩定土种性类及边坡系边数坡系m数选m(择水下由部土分)壤力边坡学系性数(质水上决部定分)。
未风化的岩石
1～0.25
0
风化的岩石
0.25～0.5
0.25
Ff < Gs
Ff = Gs
匀速运动
加速运动
充分长直的棱柱体正坡(i > 0)明渠
产生均匀流的条件： ❖水流应为恒定流。流量应沿程不变，即无支流。 ❖渠道必须是长而直的棱柱体顺坡明渠，糙率系数沿程 不变。另外渠道中无水工建筑物的局部干扰。
第6页/共24页
明渠均匀流的形成条件 ①恒定流Q =const; ②棱柱体渠道; ③正坡i＞0; ④棱柱体明渠足够长； ⑤糙率n沿程不变； ⑥没有建筑物的干扰。
（一）明渠的底坡
i dZo (z02 z01) sin
ds
ds
底坡线：沿渠道中心线所作的铅直面和 渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线）。
水面线：沿渠道中心线所作的铅直面与水面 的交线则称为水面线。
底坡：渠底高程沿水流方向单位距离的 降落值称为底坡，以i表示。
第1页/共24页
水面线 底坡线
介绍几个综合糙率公式。
假定：总阻力=各部分阻力之和。 0 11 22
1）巴普洛夫斯基公式:(nmax/nmin＞2.0)
n
1n12 2n22 1 2
2）别洛康·爱因斯坦公式：
① nmax/nmin＞2.0，
n
( 1n13/ 2
n3/ 2 22
)3/ 2

第七章明渠流动ppt课件

明渠：人工渠道、天然河道以及不满流管道统称为明 渠。 明渠流动：水流的部分周界与大气接触，具有自由表 面的流动，又称为无压流。 明渠流1，明渠流2
特点： 1、有自由表面，各断面表压强都是大气压，重力对流动起 主要作用。 2、明渠底坡的改变对流速和水深有直接影响。坡度增大， 则流速增大 ，水深减小
7.1 明渠的分类
所示，亦就是说，明渠均匀流的水力坡度J 、测
压管线坡度Jp 及渠底坡度i彼此相等，即
J =Jp=i
（7-3）
在图7 - 4 所示均匀流动中取出断面1-1 和 断面2-2 之间的水体进行分析，作用在水体 上的力有重力G 、阻力F 、两断面上的动 水压力P1和P2，写流动方向的平衡方程：
P1+G sinθ-F- P2 =0 (3)明渠均匀流动中阻碍水流运动的摩擦阻力
h
b (h)h
2(
1 m2 m)
（7-10）
由式(7 - 10) 可知，水力最优梯形断面的宽深比βh仅是边坡 因数m 的函数。将上式依次代入A、χ关系式中，可得
R A (b mh)h b 2h 1 m2
由（7-10）式 2 1 m2 b / h 2m
Rh 2
（7-11）
上式说明水力最优梯形断面的水力半径等于水深的一半，且与边坡因数无 关。 对于矩形断面，以m=0代入式(7 - 10) 得βh=2 即b =2h ，说明水力最优矩 形断面的底宽为水深的两倍。
从式(7 - 6) 可以看出，当i，n 及A 给定后，要使渠道的通 过能力Q最大，则必须是水力半径R 最大，或湿周χ最小。 在面积相同的各种几何图形中，圆形具有最小的周界，故 管道的断面形式通常是圆形，对于明渠则为半圆形。但半 圆形断面施工困难，在天然土壤中开挖渠道，一般采用梯 形断面形式。
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1）过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变；
2）过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；
3）总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即 J = J p = i ；
4）水流重力在流动方向上的分pp力t课件与摩阻力相平衡，即Gs=F。
14
2. 明渠均匀流的产生条件
水流应为恒定流。流量沿程不变，即沿程无水流的汇入、 汇出 。
②谢才公式 v C R i C R J
③曼宁公式 C 1 R1/ 6 n
21
V=
1
12
i 2R 3
=
n
1 n
A 3i 2
2
c3
Q = AC
Ri
=
1
12
Ai 2 R 3 =
K
i
n
流量模数K：底坡等于1时的流量
粗糙系数n：反映了河、渠壁pp面t课对件 水流阻力的大小
18
对人工管渠
糙率选取过大：设计阻力偏大，设计流速则偏小断面尺寸 偏大，增加土方开挖量，造成浪费；且由于由于实际流速 大于设计流速，可能引起渠道冲刷。
糙率选取过小：则达不到设计过水能力，且因实际流速小 于设计流速，造成渠道淤积
各种人工管渠的n值
管渠类别 石棉水泥管、钢管
木槽
陶土管、铸铁管
混凝土管、钢筋混 凝土管、水泥沙浆
抹面渠道
n 0.012 0.012-0.014 0.013
管渠类别 砖砌渠道 浆砌块石渠道 干砌块石渠道
0.013-0.014
土明渠（包括带 草皮）
1
3
2
3
2
1
棱柱体
非棱柱体
棱柱体
1—1
2—2
3—3
ppt课件 12
（二）明渠均匀流的特性和形成条件
ppt课件 13
1. 明渠均匀流的特性
明渠均匀流：流速沿程不变，流线为一系列互相平行的直线，明渠 的水深和断面的流速分布等均沿程不变的流动。
加速运动
F < Gs
均速运动 F = Gs
加速运动
充分长直的棱柱体顺坡(i > 0)明渠
ppt课件 3
（一）明渠均匀流概述
ppt课件 4
1. 明渠水流概述
明渠：天然的河道、人工渠道。 明渠水流：明渠中流动的液体，是一种具有自由液面的流动，水
流表面压强为大气压，即相对压强为零。 明渠水流特点： 液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面，表面各点压 强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。（管流则是压力流）
水面水线水面面线线
底坡线
底坡底线坡θ 线
ppt课件 6
3. 明渠的横断面
明渠的横断面：垂直于渠道中心线作铅垂面与渠底及渠壁 的交线。
B
h
1 m
α
b
梯形断面
ppt课件 7
1. 梯形断面：
1 m
水面宽度 过水面积 湿周 水力半径
B=b+2mh
A (b mh)h
b 2h 1 m2
B 2 h(d h)
A d 2 ( sin )
8
d
2 R A 1 (1 sin )
4
d h θ
用于无压隧洞
ppt课件 11
棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程不变且渠道轴线为直线 的渠道 非棱柱体渠道：断面形状、尺寸及底坡沿程变化的顺直渠道或渠 线弯曲的渠道。
A (b mh)h R
b 2h 1ppt课m件2
B
h b
土基上的渠
8
表 梯形渠道边坡系数m
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
ppt课件
n 0.015 0.017 0.020-0.025
0.025-0.030
19
天然河道粗糙系数n 河床泥沙、砾石等颗粒细小而光滑则n小 河道 断面的不规则、河身的弯曲、滩地上植物种类及数量、 河床被水流冲刷程度等因素均影响粗糙系数； 粗糙系数沿流程改变，随水位改变； n值的求取:工程实际中根据河道实测水温资料，由流量或 流速、断面积求取谢才系数，然后按曼宁公式求取 查表：情况良好，n=0.025-0.035；
必须是底坡不变的正坡明渠（i＞0 ）。
必须是棱柱体渠道，且糙率沿程不变 。 必须是充分长直且渠道中没有建筑物的局部干扰 。
ppt课件 15
3. 思考题
思考题1：明渠均匀流可能发生在： A、平坡棱柱形渠道； B 、顺坡棱柱形渠道； C、逆坡棱柱形渠道； D、都有可能；
思考题2：非棱柱体渠道中，流线也会是平行直线，故水流也可能 形成均匀流。
风化的岩石
0.25~0.5
未风化的岩石
ppt课件
0.00~0.25
9
2. 矩形断面
水面宽度
Bb
过水面积
A bh
h
湿周
b 2h
b
水力半径
R A bh
b 2h
• 常用于岩石中开凿、两侧用条石砌成的渠 • 混凝土渠 • 木渠
ppt课件 10
3. 圆形断面
水面宽度 过水面积 湿周 水力半径
第7章 明渠均匀流
ppt课件 1
教学基本要求
1、了解明渠水流的分类和特征、棱柱体渠道的概念； 掌握明渠底坡概念和梯形断面明渠的几何特征和水力要素。
2、了解明渠均匀流的特点和形成条件， 掌握明渠均匀流公式，并能应用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：明渠渠底纵向（沿水流方向） 倾斜的程度，以i表示。
i sin d z tan d z
dz
ds
dL
ds
明渠底坡的类型：
dL
正坡（ i > 0）： 渠底高程沿流程降低；
平坡（ i = 0 ）：渠底高程沿程不变； 负坡（ i < 0 ）：渠底高程沿流程增加
4、掌握明渠均匀流水力设计的类型和计算方法，进行过水能力 和正常水深的计算，能设计渠道的断面尺寸。
学习重点
1、明渠均匀流水力计算；
ppt课件 2
主要内容
明渠均匀流概述 明渠均匀流的特性和形成条件 明渠均匀流的计算公式 水力最佳断面及允许流速 明渠均匀流的水力计算 无压圆管均匀流的水力计算 复式断面渠道的水力计算
A、正确；
B 、错误；
思考题3：各种渠道中：①平底坡渠道；②正底坡、长直渠道；③正 底坡、棱柱形，长直渠道；④正底坡、非棱柱形渠道；⑤逆坡底渠 道；能否产生均匀流？为什么？
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（三）明渠均匀流的计算公式
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明渠均匀流的计算公式
①连续方程 Q v1 A1 v2 A2