第七章_明渠均匀流

明渠均匀流的特性及其产生条件一、明渠均匀流的特性明渠均匀流是指渠道中的水流流速及流速分布沿程不变的水流。

其实际上是物理学中的均速直线运动，从力学角度分析，作用在明渠水流运动方向的各种力必须相互平衡。

如图6-５所示，在明渠中选择一段水体ABCD ，其受力分别为重力G 、前后水压力1P 、2P 、周界的摩擦阻力f F 。

α为渠底线与水平方向的夹角。

则沿流向的平衡方程为 0sin 21=--+P F G P f α因为均匀流中过水断面上的动水压强按静水压强分布，且各过水断面水深的过水断面面积相等，则有21P P =，且f F G =αsin 。

这说明，在明渠均流中，水流阻力与重力在水流方向上的分力相平衡。

同理，对于非均匀流f F G ≠αsin ，明渠水流做加速或减速运动。

在明渠均匀流段选择两断面1-1 、2-2列能量方程w h gp g p +++=++222222221111v z v z αγαγ 因为是均匀流则有JL h w =，21v v =，21αα=，21p p = 则可得明渠均匀流的基本特征为：i J J p == (6-7)即明渠水流的水面线、渠底线和总水头线三线平行，三坡相等。

二、 明渠均匀流的产生条件由以上明渠均匀流特性可知，明渠水流必须具备以下条件，才能形成恒定均匀流。

1.明渠水流为恒定流。

2.流量沿程保持不变。

在明渠中，沿程无水流汇入和分出。

3.明渠必须是正坡（0>i ）的棱柱体渠道。

非正坡渠道，重力与阻力不可能平衡，不能形成均匀流。

非棱柱体渠道，则流速会发生变化；不能形成均匀流。

4.明渠糙率系数沿程不变。

糙率系数如沿程发生变化，则摩擦阻力也将变化，重力与阻力失去平衡，则不能形成均匀流。

5.渠道上不应有建筑物对水流的干扰。

如闸、坝、桥墩等建筑物。

因为建筑物上下游水流衔接，必然有一段非均匀流，要经过一段距离才能达到均匀流。

由上述内容可知，明渠水流运动受到各种因素的影响，从理论上讲要产生真正的均匀流是很少的，实际明渠中大量存在的是非均匀流。

流体力学辅导材料7第七章 明渠恒定流【教学基本要求】1、理解明渠分类，掌握梯形渠道和矩形渠道过流断面的水力要素计算。

2、理解明渠恒定均匀流形成条件，,掌握明渠恒定均匀流水力特征。

3、掌握明渠恒定均匀流水力计算基本公式。

4、理解水力最优断面与允许流速的概念。

5、会进行明渠恒定均匀流水力计算（求流量、底坡、断面尺寸的确定等）。

6、理解明渠恒定非均匀流形成条件及明渠恒定非均匀流水力特征。

6、理解明渠水流的流态（缓流、临界流、急流），掌握其判别标准。

7、理解断面单位能量s E 、临界水深K h 、临界底坡K i 等概念。

8、了解弗劳德数Fr 的物理意义，熟悉其数学表达式。

9、了解水跃、跌水现象和流动特征，知道水跃方程、共轭水深、水跃能量损失和跃的计算。

10、知道明渠恒定非均匀渐变流微分方程。

11、会进行棱柱形渠道水面曲线定性分析。

12、会进行棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线计算（分段求和法）。

【学 习 重 点】1、明渠的分类，明渠恒定均匀流的水流特征，及其形成条件。

2、明渠恒定均匀流计算基本公式。

3、明渠断面形状、尺寸，底坡的设计及其水力计算。

4、缓流、急流、临界流及其判别标准。

5、断面单位能量、临界水深、临界底坡等概念。

6、跌水、水跃水流特征，共轭水深等概念。

7、棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线的变化规律及其定性分析。

8、棱柱形渠道恒定非均匀渐变流水面曲线的计算（分段求和法）。

【内容提要和学习指导】一.概述明渠水流是指河道或渠道中水流，其自由表面为大气压，相对压强为0，亦称无压流。

本章介绍明渠的分类，明渠水流特征，及其水力计算。

本章分为两大部分：第一部分为明渠恒定均匀流。

第二部分为明渠恒定非均匀流。

这一章的基本概念较多，要多从物理意义上加以理解。

有些水力计算比较繁，如梯形断面渠道的断面尺寸的设计、共轭水深、水面曲线的计算，要求掌握其计算方法，利用相关资料会进行计算。

考核内容为基本概念和矩形断面渠道的水力计算。

明渠均匀流发生的条件明渠均匀流是指在一定的条件下，水流在明渠中保持均匀流动的状态。

明渠均匀流发生的条件主要包括：水体流速恒定、水体流量均匀分布、水流与明渠壁面无摩擦以及明渠具备一定的几何形状。

要实现明渠均匀流，水体的流速需要保持恒定。

流速的恒定要求水体在明渠中的流动速度保持不变，即水体通过明渠的各个截面的流速相等。

这要求明渠中的水体流动受到一定的控制，可以通过调整明渠的几何形状、坡度以及流量控制等手段来实现。

明渠均匀流还要求水体的流量均匀分布。

流量的均匀分布要求水体通过明渠的不同截面的流量相等，即明渠中任意截面的流量与其他截面的流量相等。

这要求明渠中的水体流动受到均匀分布的控制，可以通过调整明渠的几何形状、截面面积以及流量控制等手段来实现。

明渠均匀流还要求水流与明渠壁面无摩擦。

这意味着明渠的壁面要求光滑，并且水流与壁面之间没有摩擦力的作用。

只有在这种情况下，水体才能在明渠中自由地流动，不会受到壁面摩擦的影响，从而保持均匀流动的状态。

明渠均匀流的发生还要求明渠具备一定的几何形状。

明渠的几何形状包括渠底形状和渠面形状等。

渠底形状的选择会影响水体在明渠中的流速分布，例如，V型槽和矩形槽的流速分布不同；而渠面形状的选择会影响水体在明渠中的流量分布，例如，圆形渠和矩形渠的流量分布不同。

因此，在设计和施工明渠时，需要根据实际情况选择合适的渠底形状和渠面形状，以实现明渠的均匀流动。

明渠均匀流发生的条件包括流速恒定、流量均匀分布、与明渠壁面无摩擦以及具备一定的几何形状。

只有在满足这些条件的情况下，明渠中的水体才能保持均匀流动的状态。

明渠均匀流的实现对于水利工程的设计和施工具有重要意义，可以保证水体在明渠中的稳定流动，减少水力损失，提高水资源的利用效率。

因此，深入研究和掌握明渠均匀流的形成条件对于水利工程领域具有重要的理论和实际意义。