明渠自掺气水流(邓军,许唯临,卫望汝 著)思维导图
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明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
水
2010 年 3 月 9350 （ 2010 ） 03034305 文章编号：0559-
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 41 卷 第3 期
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
张法星， 许唯临， 朱雅琴
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ）
摘要：采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测， 拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程， 对气泡形成的过程进行了概化分析 。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用， 导致水面发生上凸下凹 的变形。当这种变形达到一定程度后， 受顺水流向或横向脉动压力 、 横向切应力的作用， 深入水体凹坑的边壁在某 一部位闭合， 下部包裹空气形成气泡而发生自掺气 。随着紊动强度进一步增大， 水面变形加剧， 表现为高高跃出水 这些水柱的倾倒、 聚并也会造成空气进入水中形成气泡 。 明渠水流自掺气是水体内部紊动 面的柱状突起和水滴， 与水面相互作用的结果 。 关键词：明渠；自掺气；掺气机理；自由面；气泡 中图分类号：TV135. 2 文献标识码：A
0526 收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（ 50539060 ） ；国家杰出青年科 学基金（ 50325928 ） mail：zhfx@ scu. edu. cn 作者简介：张法星（ 1979 － ） ， 男， 山东嘉祥人， 博士， 主要从事工程水力学和水动力学研究。E-
［ 14 － 15 ］ 。当水滴与回落到运动水流的水面时 ， 把空气包裹住， 形成气泡， 这一观点已被其他研究者证实 与 ［ 16 ］ ， 。 ， “ ” ， 撞击静止的水面相比 更难包裹空气形成气泡 所以 水滴回落而导致掺气 的观点值得商榷 为弄 ［ 13 ］ ［ 12 ］
2010 年 3 月 9350 （ 2010 ） 03034305 文章编号：0559-
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 41 卷 第3 期
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
张法星， 许唯临， 朱雅琴
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ）
摘要：采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测， 拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程， 对气泡形成的过程进行了概化分析 。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用， 导致水面发生上凸下凹 的变形。当这种变形达到一定程度后， 受顺水流向或横向脉动压力 、 横向切应力的作用， 深入水体凹坑的边壁在某 一部位闭合， 下部包裹空气形成气泡而发生自掺气 。随着紊动强度进一步增大， 水面变形加剧， 表现为高高跃出水 这些水柱的倾倒、 聚并也会造成空气进入水中形成气泡 。 明渠水流自掺气是水体内部紊动 面的柱状突起和水滴， 与水面相互作用的结果 。 关键词：明渠；自掺气；掺气机理；自由面；气泡 中图分类号：TV135. 2 文献标识码：A
0526 收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（ 50539060 ） ；国家杰出青年科 学基金（ 50325928 ） mail：zhfx@ scu. edu. cn 作者简介：张法星（ 1979 － ） ， 男， 山东嘉祥人， 博士， 主要从事工程水力学和水动力学研究。E-
［ 14 － 15 ］ 。当水滴与回落到运动水流的水面时 ， 把空气包裹住， 形成气泡， 这一观点已被其他研究者证实 与 ［ 16 ］ ， 。 ， “ ” ， 撞击静止的水面相比 更难包裹空气形成气泡 所以 水滴回落而导致掺气 的观点值得商榷 为弄 ［ 13 ］ ［ 12 ］
第6章 明渠流动(2)图文图文课件
2g 2g
2
vcr = ghcr
如图6-9所示，比临界水深hcr深的水深（h = h2） ，称为缓流。相反，比临界水深hcr浅的水深（h = h1）称为 急流。
6.3 缓流、急流和临界水深
明渠流的流态是缓流还是急流，用临界水深和Ho 的关系式（6-18）和式（6-19）的结果也可以判定。换句话
说，下来的任缓一流关：系的h都>要(q满2)足1Τ3：，
H = v2 + z + h
2g
（6-22） 对上式求x的微分，即
6.4.1 水跃
这个算式各项的意义是： − dHΤdx总水头梯度i， − dzΤdx是渠底面坡度io。明渠宽度一定时，单位宽度的流 量q(= vh)一定，并与x无关，而
1 d(v2) = 1 d
2g dx 2g dx
q2 h2
=
−
q2 g
无压流。 非定常流，均匀流和非均匀流之分。
明渠的流动状态也用雷诺数判断，即
Re
=
ρvm μ
=
vm ν
6.1 明渠
式中 水力平均深度m为明渠过流断面的面积A与
湿周长s之比，如图6-1所示，即 m=A
s
（6-2
6.1 明渠
在一个均匀的流动是定常的，该状态在横截面形状 、梯度和壁一定时，通过长直通道时，在任意位置上水的深 度相等的。相反，在不均匀的定常流时，水的深度在流动方 向是改变的。
第6章 明渠流动
明渠是除管道以外输送液体的主要方式。人工 明渠的形状比较规则，流动规律可控，易于用流体力学理 论进行分析。研究明渠流动一般从人工明渠入手
6.1 明渠
明渠流是指流体在地心引力作用下形成的重力
流动。其特点是渠槽具有自由表面，自由面上各点均受相
第六章 明渠水流
产生条件
水力图式：图6-4
（图6-4）
给排水教研室吴洪华 13
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-2 明渠均匀流
产生条件
理论分析方法——如图6-4，列前后动量方程有
P 1P 2 T G sin 0 P sin i 1 P 2 ， z l
得 Gi T
给排水教研室吴洪华 2
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
明渠水流特性
可有恒定流与非恒定流，均匀流与非均匀流， 渐变流与急变流等类型。 水力计算基本问题：水面曲线分析面与计算， 即沿程水深流速计算。
给排水教研室吴洪华
3
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
（6-1）
A 水力半径 R
边坡系数
5
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
明渠断面水力要素
圆形断面
过水面积 水面宽度 湿 周
d2 A ( sin ) 8
B d sin
2 h( d h) 2
（6-2）
水力半径 充满度
dQ 5 2 sin θQ 令 0， 有 1 cos θQ dθQ 3 3 θQ
给排水教研室吴洪华
0
22
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-3 明渠均匀流基本公式
解之得: θQ 302.41
302.41 h aQ sin sin 0.9382 4 4 d Q θ 2 Q
（6-13）
明渠恒定流的流动类型及其判别(ppt 51页)
例7.1.3 有一圆形混凝土污水管，已知底坡i＝ 0.005，粗糙系数n=0.014，充满度α=0.75时 流量Q=0.25m3/s，试求：该管的管径d。
0.75 AQ/Qd0.91
Q d Q /A 0 .2/0 5 .9 1 0 .27 m 34 /s7
Q d1 nAR2/3i1/21 n4 d2d 42/3i1/21.573d8/3
h0
nq
i
1
2
35
（3）当已知渠道的宽深比时，求渠中的正常水深。
对梯形断面渠道：
A b h 0 m h 0 2 (b m h 0)h 0 b2h0 1m2
QACR iA1R2/3i1/2 n
i12
n
bm0hh0 53
23
b2h0 1m2
b h0
Qi12 n
m 5/3 h083
23
2 1m2
h0nQ 3i3 816 2 m 1 5m 8214
2.试算法或图解法
（1）当已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b） 时，由于此时需要求解关于h0和b的非线性方程， 不能直接求解，只能采用试算法，或者应用附图 Ⅰ的图解曲线求解。
或
或
或
或
已知 或
已知 或
（2）当已知宽深比β=b/h0或者最佳宽深比βm， 可以用附图Ⅰ图解曲线求解。
Δ
12
Δ
Δ
Δ
=
+Δ
hv12 (ha )hv22
2g
2g
2 1
(b)
(c)
v1Av2(AA)
c2
c2
h hh (
A )2
2g
2g AA
c g A(12A) gA/B gh BA
PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
水力学讲义
诚础伪经攒戎撒荒肛窝廉雹缆拥硅皂戎酝贯摹金术苞玄充诅溅哮漏乔划赢PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 5.5 明渠均匀流的水力计算 一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h 确定Q ; 直接用公式:
第五章 明渠恒定均匀流 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( 称作底坡 )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。
水力学讲义
粉天删鲸般匪疹腥翘渐由助舞闷咋钥叔夏藩嗣跨伸揉汞辣准椰妈书斌邀蝶PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。
水力学讲义
旭系笔肝淆十习僵睦骤藏掠海躺察湃青卒遥袋招膨驴治聋拘酌哟抗症碗笼PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下： 水面宽度： B=b+2mh 过水断面面积： A=(b+mh)h 湿周： 水力半径：
水力学讲义
路努吨赶羹兄操缠捕砖粒链想口勃函苍蓝巷简悟积瓶店罚窒欣湃侠侥焚连PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
诚础伪经攒戎撒荒肛窝廉雹缆拥硅皂戎酝贯摹金术苞玄充诅溅哮漏乔划赢PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 5.5 明渠均匀流的水力计算 一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h 确定Q ; 直接用公式:
第五章 明渠恒定均匀流 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( 称作底坡 )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。
水力学讲义
粉天删鲸般匪疹腥翘渐由助舞闷咋钥叔夏藩嗣跨伸揉汞辣准椰妈书斌邀蝶PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。
水力学讲义
旭系笔肝淆十习僵睦骤藏掠海躺察湃青卒遥袋招膨驴治聋拘酌哟抗症碗笼PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下： 水面宽度： B=b+2mh 过水断面面积： A=(b+mh)h 湿周： 水力半径：
水力学讲义
路努吨赶羹兄操缠捕砖粒链想口勃函苍蓝巷简悟积瓶店罚窒欣湃侠侥焚连PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第8章__明渠流动
θ i
Δz
底坡分为三类: i>0,正坡或顺坡(沿流程降低);
i=0,平坡(渠底水平);
i<0,反坡或逆坡(沿流程升高);
均匀流形成条件和水力特征
形成条件:
i>0,且不变;
壁面粗糙系数n沿程不变;
棱柱形渠道; 恒定流; 即
特征:总水头线与水面线与渠底线相互平行.
J Jp i
梯形过水断面的几何要素
水
现象：
跌
处于缓流状态的水流， 由于渠底突然变陡，或 者由于下游渠道断面突 然变宽，因而导致水面 急剧下降，水深减少变 成急流。
发生的位臵：
ho hk
ho
hk
水
跃
现象:水流从急流过渡到 缓流时水面骤然跃起。 水流特点:水跃的上部常伴有一个作剧烈回旋运动的表 面旋滚。旋滚中饱掺着大量的气泡，旋滚的下部为急剧 扩散的主流。 消能:水跃消耗了水流中大量的能量，可达水跃前断面 能量的60~70%。 工程利用：（1）常作为重要的消能手段。通过人工措 施促成水跃在指定范围内发生，消除余能以减少下泄水 流对下游渠底、河床的冲刷。（2）由于水跃的主流区 内水流旋滚非常剧烈，可把水跃作为搅拌用的一种有效 方法。
明渠非均匀急变流
渐变流——明渠流水深的变化局限在一个流区（即分 别在缓流范围或急流范围）内，水流属同一流态。 急变流——若明渠流水深变化很大，且超出同一流区 （即从缓流变化至急流或从急流变化至缓流）。 急变流内水深和流速都发生急剧变化，水面曲线弯曲 程度大，过水断面内的压强分布不再符合静水压强分 布规律。 因为引起流动急剧变化的渠道边界条件的不同，这种 非均匀急变流可能是由缓流突变为急流，也可能是由 急流突变为缓流。通常前者称为水跌，后者则称为水 跃。不管是水跌还是水跃，都要穿过临界水深。
流体力学课件第8章明渠流动
（2） i 应尽量与地面坡度一致，以减少土方量。 为此可采取集中落差的方法来改变值 i 。
四、水力计算基本问题
主要可归为四大类
1、验算渠道的输水能力。
已知： b， h， m， n， i
以梯形断面 为例分析
求： Q 验算 v 是否
方法： Q Av Ac Ri K i
合乎要求。
2、计算渠道的粗糙系数。
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
主槽
滩地
2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：
（1） 棱柱形渠道 A = f (h) ；
A过流断面面积，h水深 （2）非棱柱形渠道 A = f (h，s) s流程
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
2> 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。
断面面积一定时，流量最大为最佳。 流量一定时，断面面积最小为最佳；
（1）最优断面推导——曼宁公式
Q A R1/6 n
Ri 1 A5/3i1/2
n 2/3
思考：相同面积哪种图形周长最小？
当 n、i、A 一定时， 最小，可使 Q 最大，从理论上分
湿周： d 2
水力半径：
R d 1 sin 4
d
h θ
（1） 当а=1 时， 为满管流动；
（2） 当а< 1 时，为不满管流动。在污水管路 设计中，为通风、防暴及适应污水量的变 化，一般均应设计为不满流。
二、水力特征：
Q AC Ri K i
（1） J= Jp= i ；
（2）水力最优发生在满管之前
四、水力计算基本问题
主要可归为四大类
1、验算渠道的输水能力。
已知： b， h， m， n， i
以梯形断面 为例分析
求： Q 验算 v 是否
方法： Q Av Ac Ri K i
合乎要求。
2、计算渠道的粗糙系数。
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
主槽
滩地
2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：
（1） 棱柱形渠道 A = f (h) ；
A过流断面面积，h水深 （2）非棱柱形渠道 A = f (h，s) s流程
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
2> 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。
断面面积一定时，流量最大为最佳。 流量一定时，断面面积最小为最佳；
（1）最优断面推导——曼宁公式
Q A R1/6 n
Ri 1 A5/3i1/2
n 2/3
思考：相同面积哪种图形周长最小？
当 n、i、A 一定时， 最小，可使 Q 最大，从理论上分
湿周： d 2
水力半径：
R d 1 sin 4
d
h θ
（1） 当а=1 时， 为满管流动；
（2） 当а< 1 时，为不满管流动。在污水管路 设计中，为通风、防暴及适应污水量的变 化，一般均应设计为不满流。
二、水力特征：
Q AC Ri K i
（1） J= Jp= i ；
（2）水力最优发生在满管之前
第九章 明渠水流和堰流9-1~-9-3
9.3.3
断面单位能量和临界水深
（1）比能、比能曲线 如图所示一渐变流，以0-0为基准面，则过水断面上单位重 力液体具有的总能量为
E z
v 2
2g
z0 h cos
v 2
2g
(9.7)
如果以过渠底最低点的平面0’-0’为基准面，则单位能量为
E s h cos
v 2
Q Ac Ri
i A5 / 3 Q 2/ 3 n
1 16 c R n
i A5 / 3 Q 2/ 3 n
周
当渠道的底坡i、粗糙系数n及过水断面积A一定时，湿 越小 （或水力半径R愈大）通过流量Q愈大；或当i、
n、Q一定时，湿周 越小（或半径R愈大）所需的过水断面
积A也愈小。 由几何学可知，这种断面应该是圆形或半圆形断面。 工程中采用最多的是梯形断面，其边坡系数 m 由边坡稳 定要求确定。在 m 已定的情况下，同样的过水面积 A ，湿周
即梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。 矩形断面可以看成为 m = 0 的梯形断面。以 m = 0 代入以上 各式可求得矩形水力最佳断面的 m及 Rm 值。
hm Rm 2
bm m 2 即 bm 2hm hm
hm Rm 2
水力最优断面存在的问题
当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比 b/h是唯一的。
2g
(9.8)
断面的单位能量Es又称为断面比能，简称为比能。
由式（9.7），E s E z0 ，即比能与断面的总能量相差一
个渠底高度z0。在实用上，因一般明渠底坡较小，可认为
cos 1.0 ，故常采用
Es h
Es h
v 2
第八章 明渠流
第八章明渠流在环境工程、给水排水工程、水利工程、交通运输等工程中，有许多明渠流的问题。
明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽，当通过渠槽的水流，形成与大气相接触的自由表面，表面上各点压强均为大气压强，称为明渠流或无压流。
输水渠道、无压隧道、渡槽、涵洞以及天然河道中的流动均属于明渠流。
当明渠中水流的运动要素不随时间改变时，称为明渠恒定流，否则称为明渠非恒定流。
明渠恒定流中，如果流线是一簇平行直线，则水深、断面平均流速及流速分布均沿程不变，称为明渠恒定均匀流；如果流线不是平行直线，则称为明渠恒定非均匀流。
本章仅对明渠恒定流的基本知识和水力计算进行阐述。
§8.1 明渠的几何特性及分类由于明渠的断面形状、尺寸、底坡等几何要素对水流形态有重要影响，下面将阐述明渠的几何要素和类型。
8.1.1明渠的横断面与过流断面垂直于渠道中心线的铅直面与渠底及渠壁的交线，构成明渠的横断面。
人工渠道的横断面一般为规则的几何形状，常见的有梯形、矩形、三角形、圆形等，如图8-1a、b、c、d。
天然河道的横断面多为不规则形状，而且一条河道各处横断面的形状和尺寸往往差别很大，如图8-1e。
有时流量小水位低，水流集中于主槽中；当流量增大，水位上涨，漫至边滩，横断面就由主槽和边滩两部分组成。
(a) (b) (c)(d) (e)图8-1 明渠的横断面当明渠修在土质地基上时，往往作成梯形断面，其两侧的倾斜程度用边坡系数m表示，m=cotα。
m的大小应根据土的种类或护面情况而定，见表8-1。
矩形断面常用于岩石中开凿或两侧用条石砌筑而成，混凝土渠或木渠也常作成矩形。
圆形断面常用于无压隧洞。
表8-1 梯形渠道的边坡系数这里讲的明渠横断面是指渠道的轮廓，与过流断面不同。
后者是指与流向垂直的断面，除了包括渠道轮廓外，还包括水面轮廓。
一般来说，过流断面与渠底垂直，因而与铅直面之间有一夹角θ，如图8-2。
现以工程中应用最广的梯形断面为例，说明计 算中常用到的过流断面的水力要素。
6 明渠流动
6.2 明渠均匀流
6.2.1.2明渠均匀流的产生条件
根据明渠均匀流的上述特征，可以推定它的形成必须具 备下列条件：
(1) 水流必须为恒定流。否则沿流程各断面的水深、流速 随时间变化，任一时刻各断面水深、流速等各不相等，是 非均匀流。 (2) 流量沿程保持不变，没有水流的汇入或分出。否则明 渠上、下游各过水断面的水深和流速将不相同，为非均匀 流。
例1：某梯形断面土渠中发生均匀流动，已知：底宽b=2m，边 坡系数m=1.5，水深h=1.5m，底坡i=0.0004，粗糙系数n=0.0225， 试求渠中流速v，流量Q。
6.3 明渠非均匀流基本概念
6.3.1 明渠非均匀流的定义、形成及特征
明渠水流的流速、水深等水力要素沿程变化的流动，称为 明渠非均匀流。人工渠道和天然河道中的水流多为明渠非 均匀流。 人工渠道或天然河道中的均匀流，由于渠道底坡的变化、 过水断面的几何形状或尺寸的变化、壁面粗糙程度的变化， 或在渠道中修建人工构筑物，都将会形成明渠非均匀流动。
20
6.2 明渠均匀流
6.2.3.2明渠均匀流水力计算
明渠均匀流的基本公式中 Q AC Ri K i f (m, b, h, n, i) ， K 、 i 中，己知任意两 其中K决定于渠道断面特征。在 Q 、 个量，即可求出另一个量，因此渠道水力计算问题可分为 三类。 （1）验算渠道的输水能力 已知渠道断面形状及大小、渠壁的粗糙系数、渠道的底坡， 求渠道的输水能力，即己知 K ， i 求 Q 。求解中需要先计 R、 算出A 、 C 值。
第6章 明渠流动
6 明渠流动
1
6.1 明渠流动概述 6.2 明渠均匀流
6.3 明渠非均匀流基本概念
2 3
明渠流动
或
" 2 h 8 q h' [ 1 1] 3 2 gh"
h' h [ 1 8 Fr12 1] 2
"
或
h" h [ 1 8 Fr22 1] 2
'
Fr1和Fr2分别为跃前和跃后水流的弗劳德数。
水跃长度 水跃中的能量损失
l j 6 .9 ( h " h ' )
微波只能以 2c 向下游 传播，不能向上游传播
弗劳德数
管流
惯性力 Re 粘性力
Re
vl
Re
vd
v gh
明渠流
惯性力 Fr 重力
v Fr gl
Fr
c gh
v2 2g 2 Fr h 2
v Fr c
弗劳德数的平方值代表了 单位重量流体的动能与平 均势能之半的比值
缓坡渠道（2 区）
h h0
J i
dh iJ ds 1 Fr 2
上游：
dh 0 ds
dh ds
趋于均匀流，以N－N为渐近线 下游：
h hc
Fr 1
水跌
缓坡渠道（3 区）
分子 分母
dh iJ 2 ds 1 Fr
明渠均匀流的水力特征
（1）等深等速 （2）明渠均匀流的各项坡度都相等
J Jp i
过流断面的几何要素
m ctg
B b 2 mh
边坡系数 水面宽度 过水断面面积 湿周 水力半径
A ( b mh ) h
b 2h 1 m 2
R A
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。
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。
水利水电工程管理与实务思维记忆导图
地形是地貌和地物的总称!可分为五种基本地形,山地$盆地$高原$平原$丘陵)
工程地质与水文 岩石种类很多!按其成因可分为岩浆岩$沉积岩$变质岩)
地质条件及分析常见的边坡变形破坏主要有松弛张裂$蠕变$崩塌$滑坡四种类型) 滑坡是分布最广$危害
最大的一种)
!
考点 !*水利水电工程设计
{ 水利水电工程设计 水利和水电的主要区别体现在下面的方面,设计阶段-设计变更分类不同-费用文
{
水利水电建
水工建筑物主
渗流分析主要内容有,确定渗透压力-确定渗透坡降% 或流速( -确定渗流量)
对土石坝!还
筑物设计
要设计方法
应确用块石$碎石$卵石!不宜使用风化岩石)
大体积建筑物内部的混凝土!应优先选用矿渣硅酸盐大坝水泥$矿渣硅酸盐水泥$粉煤
#&'#"""" 水利水电工程技术 # #&'!"""" 水利水电工程项目施工管理 !$ #&'("""" 水利水电工程项目施工相关法规与标准 )"
#&'#"""" 水利水电工程技术
考点 #*水利水电工程勘测
{
常用的测量仪器有水准仪$经纬仪$电磁波测距仪$全站仪$全球定位系统% +,-( )
测量仪器的使用 经纬仪是进行角度测量的主要仪器!包括水平角测量和竖直角测量)
精密水准测量一般指国家一$二等水准测量!国家三$四等水准测量为普通水准测量)
的修订原则力求在素质测试的基础上从工程项目实践出发重点测试考生解决实际问题的能力 本套思维导图共 % 册书名分别为建设工程经济建设工程项目管理建设工程法规及相关知识建筑工
明渠恒定流ppt课件
渠中水深 过水断面 湿周 水力半径
谢才系数 流量
h 3 . 2 0 . 5 2 . 7 m
A b m h 3 h 1 . 5 5 2 . 7 2 . 7 1 . 4 m 0 24 5
b 2 h 1 m 2 3 2 5 2 .7 1 1 .5 2 4 .7 4 m 4 R A 1.4 04 4 5 .7 4 4 2 .3m 6
2020/5/2
已知Q、i、n，b、m，求h
i12
Q
bm0hh0 53
23
nb2h0 1m2
hfh ni Q 35b2 h b 1 m m 2h 25
2020/5/2
迭代计算
2020/5/2
hfh ni Q 35b2 h b 1 m m 2h 25
假定h
h1fh
C 1 R1 6 n
2020/5/2
QACR i Ki
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
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。
2020/5/2
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。
2020/5/2
求底宽
例 一矩形断面渡槽，为预制钢筋混凝土 n = 0.013，设计流量 Q = 31m3/s，i =1/1000， h = 3.5m，计算b。
2020/5/2
求底宽
解：用迭代法计算
将 A(bm)h h b2h1m2
水力学-第七章 明渠
第七章
明渠均匀流
Steady Uniform Flow in Open Channels
明渠：是人工渠道、天然河道以及不满
流管道统称为明渠。
长江三峡
长江三峡
• 长江，我国的第一大河，全长6300余公里。它流 经四川盆地东缘时冲开崇山峻岭，夺路奔流形成 了壮丽雄奇、举世无双的大峡谷——长江三峡。 • 长江三峡西起重庆奉节的白帝城，东到湖北宜昌 的南津关，是瞿塘峡、巫峡和西陵峡三段峡谷的 总称 • 三峡工程特选址于西陵峡中段的湖北省宜昌市境 内的三斗坪。 • 长江三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、 养殖、旅 游、保护生态、净化环境、开发性移民、 南水北 调、供水灌溉等 十大效益，是世界上任何 巨型电站都无法比拟的！
(4) A——过水断面面积;
A (b mh)h
(5) χ——过水断面湿周;
b 2h 1 m
(6)
2
R——水力半径.
R
A
h(b hm) b 2h 1 m
2
b 2h 1 m b 2h 1 m
2 2
棱柱形渠道与非棱柱形渠道
棱柱形渠道prismatic channel ：横断面形状 和尺寸沿水流方向不变，底坡为常数的长直明 渠。
h h0 ,
V C0 iR0 Q C0 A0 iR0 K 0 i
或
1 2 / 3 1/ 2 V R0 i 2/3 n n 0
A02 / 3i1/ 2
5 / 3 1/ 2 0 2/3 0
A i 1 2 / 3 1/ 2 Q A0 R0 i n n
7.3.2、 明渠均匀流的基本水力计算
明渠恒定均匀流：明渠恒定流中，如果流线是一簇 平行直线，水深、断面平均流速及流速分布沿程 不变。
明渠均匀流
Steady Uniform Flow in Open Channels
明渠：是人工渠道、天然河道以及不满
流管道统称为明渠。
长江三峡
长江三峡
• 长江，我国的第一大河，全长6300余公里。它流 经四川盆地东缘时冲开崇山峻岭，夺路奔流形成 了壮丽雄奇、举世无双的大峡谷——长江三峡。 • 长江三峡西起重庆奉节的白帝城，东到湖北宜昌 的南津关，是瞿塘峡、巫峡和西陵峡三段峡谷的 总称 • 三峡工程特选址于西陵峡中段的湖北省宜昌市境 内的三斗坪。 • 长江三峡工程竣工后，将发挥防洪、发电、航运、 养殖、旅 游、保护生态、净化环境、开发性移民、 南水北 调、供水灌溉等 十大效益，是世界上任何 巨型电站都无法比拟的！
(4) A——过水断面面积;
A (b mh)h
(5) χ——过水断面湿周;
b 2h 1 m
(6)
2
R——水力半径.
R
A
h(b hm) b 2h 1 m
2
b 2h 1 m b 2h 1 m
2 2
棱柱形渠道与非棱柱形渠道
棱柱形渠道prismatic channel ：横断面形状 和尺寸沿水流方向不变，底坡为常数的长直明 渠。
h h0 ,
V C0 iR0 Q C0 A0 iR0 K 0 i
或
1 2 / 3 1/ 2 V R0 i 2/3 n n 0
A02 / 3i1/ 2
5 / 3 1/ 2 0 2/3 0
A i 1 2 / 3 1/ 2 Q A0 R0 i n n
7.3.2、 明渠均匀流的基本水力计算
明渠恒定均匀流：明渠恒定流中，如果流线是一簇 平行直线，水深、断面平均流速及流速分布沿程 不变。