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明渠 课件(水力学)教学教材

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七章明渠均匀流ppt课件

七章明渠均匀流ppt课件
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

明渠课件

明渠课件

水 力 学
3.总水头线坡度、水面坡度、 3.总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者 总水头线坡度 相等， J = J 相等， =i
s
即水流的总水头线、 即水流的总水头线、水面线和渠底线三条 线平行。 线平行。
明渠恒定均匀流
从力学意义上说明渠均匀流中摩阻力 与水流重力在流动方向的分力相平衡。 与水流重力在流动方向的分力相平衡。即 G sin θ = F f
【教学基本要求】 教学基本要求】 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 【学习重点】 学习重点】
明渠恒定非均匀流的主要内容
明渠水流的三种流态 断面比能与临界水深 临界底坡、 临界底坡、缓坡与陡坡 临界水深的一些实例 明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式 棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析 水跃及水跌现象
明渠恒定均匀流
当明渠中水流的运动要素不随时间 而变时， 称为明渠恒定流。 明渠恒定流 而变时 ， 称为明渠恒定流 。 如果流线是一簇平行直线， 水深、 中 ， 如果流线是一簇平行直线 ， 水深 、 水 力 学 断面平均流速及流速分布均沿程不变， 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； 否则， 称为明渠恒定均匀流 ； 否则 ， 称为明渠 非均匀流。 非均匀流。
水 力 三.明渠均匀流的计算公式 学 流量公式 Q = AC R i = K i 讲 1 义 C = 1 R6 K = AC R = AR 2 / 3 n = Q
n
4．渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰 渠道中无闸、坝或跌水等建筑物的局部干扰。
i
明渠恒定均匀流
为流量模数 ， 单位为 （ m3/s ） ， 它 K 为流量模数， 单位为（ /s） 综合反映明渠断面形状、 综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对 过水能力的影响。 过水能力的影响。 明渠均匀流的水力计算问题 水 第三节 力 一.水力最佳断面 学

明渠 课件(水力学)教学教材

明渠 课件(水力学)教学教材

6.6.1 棱柱形渠道渐变流基本微分方程
取两过水断面，列能量方程：
(z h ) 2 v g 2(z d z h d) h(v2 g d)2 v dw h
dh ds
iJ
1gQA23B
iJ 1Fr
顺坡渠道（i>0） 8种水面线
缓坡渠道（i<ik） 急坡渠道（i>ik）
3种水面线 3种水面线
临界坡渠道（i=ik） 2种水面线
m a cot
h
边坡系数m表示边坡倾斜程度，其值大小取决于渠壁岩土的稳定性。
导出量：水面宽B、过水断面面积A、湿周、水力半径
6.1.2 棱柱形渠道与非棱柱形渠道
断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠 道，否则为非棱柱形渠道。
棱柱形渠道过水断面面积A仅随水深h而变化。
6.2 明渠均匀流
6.2.1 明渠均匀流的水力特征
Q AC Rif(m ,b ,h 0,n ,i)
b、决定渠道坡度
c、决定渠道断面尺寸
（5）水力最优断面与实用经济断面
Q AC Rif(m 当,b i、,h 0 n,及n ,iA)大小一定时，使渠道所通过的
流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。
Q
AR23i12 n
当in、i nA及5233 A给定时，水力半径R最大、即湿周
平坡渠道（i>0） 逆坡渠道（i>0）
2种水面线 种水面线
i ik
在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流 量的正常水深时，坝上游将出现a1型壅水曲线。 在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将 出现b1型降水曲线。 在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深， 形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形 成c1型壅水曲线。

水力学第六章明渠恒定流PPT课件

水力学第六章明渠恒定流PPT课件

06 明渠恒定流的研究前沿与 展望
新型流动现象的探索
新型流动现象
随着科学技术的不断进步，越来越多的新 型流动现象在水力学领域被发现。这些现 象不仅拓展了我们对水力学基本规律的理 解，还为解决实际问题提供了新的思路。
探索方法
为了探索这些新型流动现象，研究者们 采用了多种方法，包括理论分析、数值 模拟和实验观测。这些方法相互补充， 有助于更全面地了解流动现象的本质。
明渠恒定流的应用场景
总结词
明渠恒定流的应用场景包括天然河流、 人工渠道、水库等。
VS
详细描述
在自然界中，许多河流的水流状态可以视 为明渠恒定流。通过研究明渠恒定流的流 动规律，可以更好地理解河流的水力学特 性，为河流治理、航道建设等提供理论支 持。此外，在水利工程中，人工渠道和水 库的设计也需要考虑明渠恒定流的流动特 性，以确保水流的稳定和工程的正常运行 。
能量平衡与转化
01能量平衡在恒定流 Nhomakorabea件下，水流系统的总能量保持不变。即水流在运动过程中输
入的能量等于输出的能量加上损失的能量。
02 03
能量转化
水流在运动过程中，由于克服阻力而损失的机械能可以转化为热能或其 他形式的能量。例如，在管路系统中，由于流动摩擦而损失的机械能可 以转化为热能，导致水温升高。
阻力系数与雷诺数
阻力系数是描述流动阻力的一个重要参数，它与流动的几何形状、液体的物理性 质以及流动状态有关。在明渠恒定流中，阻力系数可以通过实验测定或根据经验 公式计算。
雷诺数是描述流动状态的一个无量纲数，它由流速、水力直径和液体动力粘度组 成。在明渠恒定流中，雷诺数的大小决定了流动的形态（如层流或湍流）。不同 的流动形态具有不同的阻力系数和流速分布。

第七章明渠均匀流PPT课件

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

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。

水力学-第五章 明渠均匀流ppt课件


2019/12/18
长安大学
30
5.4 明渠均匀流的水力计算
3.确定断面尺寸 根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b
2019/12/18
长安大学
31
5.4 明渠均匀流的水力计算
3.确定断面尺寸 根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b
已知渠道的设计流量Q，底坡i，水深h，边坡系数m和粗糙系数n，求底宽b。 这一类问题的计算方法，与前一类求h的方法类似，也是采用试算—图解法。 例4.某灌溉渠道上有一渡槽，拟采用混凝土 (用刮泥刀做平)预制构件拼接成矩形断面， 根据渡槽两端渠道尺寸及渠底高，初步拟定 渡槽的底坡i为1/1000，水深h为3.5m，设计 流量Q为31m3／s。试计算渠道底宽b。
2019/12/18
长安大学
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5.1明渠均匀流的水力特性和基本公式
明渠均匀流的计算公式
明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式：
v C RJ C Ri
C

1
1
R6
n
v

1
21
R3i2
n
Q

vA

1
R
21
3i2
A
n
W C R v , K AC R Q
i
i
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长安大学
2019/12/18
长安大学
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5.4 明渠均匀流的水力计算
3.确定断面尺寸 根据工程要求或者地形条件，选定b或者h，求对应的h或者b
解：由表5.3，对于刮泥刀做平的混凝土预制构 件，n＝0.013。
9
5.2 水力最优断面
Q

《水力学》课件——第六章-明渠流的概念与分类

明渠非均匀流主要讨论的问题：计算各过水断面的水深h的 沿程变化，即分析和计算渠道的水面曲线。
表示。 2）总水头线、测压管水头线（水面坡度）和渠底线互相 平行，即：
i Jp J
3）重力沿流向的分力与阻力平衡
G sin Ff
二 明渠均匀流的产生条件
(1）明渠中的水流必须是恒定的
(2)渠道必须为长而直的棱柱形顺坡渠道 (i>0),且底坡和糙
率沿程不变； (3)渠道中没有建筑物的局部干扰 (4)沿程无水流的汇入、汇出，即流量不变
一、明渠流动的特点
1.具有自由液面，p0=0，为无压流（满管流为压力流）；
2.湿周是过水断面固体壁面与液体接触部分的周长,不等于过水断面 的周长； 3.重力是流体流动的动力，为重力流（管流则是压力流）； 4.渠道的坡度影响水流的流速、水深。坡度增大，则流速增大 ，水 深减小；
二、明渠的分类 明渠断面形状（如图9-2）有： 梯形：常用的断面形状 矩形：用于小型灌溉渠道当中 圆形：为水力最优断面，常用于城市的排水系统中
实际液体总流的总水头线和测压管水头线
2
总水头线坡度：总水头线沿流程的降低值与流程 长度之比。也称水力坡度，常用 J 来表示。
J dH dhw dL dL
33
4
5
6
7
第六章 明渠流动
第一节 明渠流的概念与分类
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：具有露在大气中的自由液面的槽内液体流动称为 明渠流（明槽流）或无压流
Q AC
Ri
1 n
AR i2 1 32
1 n
A i5 1 32 2 3
湿周最大的断面为水力最优断面-圆形-半圆形。
梯形渠道的水力要素与最优断面

《明渠恒定均匀流》课件


02
明渠恒定均匀流的定义与 特性
定义
总结词
明渠恒定均匀流是指在明渠中，水流运动要素沿流程基本保持不变，水深、流速、流向等均沿程不变的流动状态 。
详细描述
明渠恒定均匀流是水力学中的一种理想流动状态，它是在一定的条件下形成的，水流在明渠中流动时，由于渠道 的边界形状、尺寸和水流特性保持不变，同时水流的速度和流量也保持不变，因此水流运动要素沿流程基本保持 不变，形成恒定均匀流。
流量Q等于过水面积A与流速V的乘积。
注意事项
过水面积A应按照水深满槽来计算，流速V应取水 力最佳断面的平均流速。
水深计算
01
02
03
水深计算公式
$h = frac{Q}{text{A} times V}$
公式解释
水深h等于流量Q除以过水 面积A与流速V的乘积。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ注意事项
在实际应用中，需要考虑 水流的阻力损失和能量损 失，对水深进行适当修正 。
当前，随着科技的发展，明渠恒定均匀流的研究已经从传统的实验观测和理论分析 扩展到了数值模拟和智能化技术等领域。
课程目标
01
掌握明渠恒定均匀流的 基本概念、原理和方法 。
02
了解明渠恒定均匀流的 实验观测技术和数值模 拟方法。
03
掌握明渠恒定均匀流的 工程应用和实践案例。
04
培养学生对明渠恒定均 匀流研究的兴趣和创新 能力。
实践操作
课件还提供了相关的实验指导和习题，帮助学生通过实践操作巩固所 学知识。
研究展望
研究方向
随着环境保护意识的提高，明渠恒定均匀流的研究将更加 注重生态保护和可持续发展，研究将更加关注水资源的合 理利用和保护。
跨学科合作
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思考题
3、什么是水力最佳断面？矩形 断面渠道水力最佳断面的底 宽b和水深h是什么关系？
4、 什么是允许流速？为什么在 明渠均匀流水力计算中要进 行允许流速的校核？
作业
P244-8.12、8.13 P245-8.18
第一节 概述
在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
明渠的分类
棱柱形渠道
非棱柱形渠道
m a cot
h
边坡B、过水断面面积A、湿周、水力半径
6.1.2 棱柱形渠道与非棱柱形渠道
断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道，称为棱柱形渠 道，否则为非棱柱形渠道。
棱柱形渠道过水断面面积A仅随水深h而变化。
6.2 明渠均匀流
6.2.1 明渠均匀流的水力特征
当i、n和 Q一定，使A最小的 断面形状，定义为水力最优断面。
水力最优断面
例题：
在密实砂壤土层中开挖灌溉渠 道，断面为梯形。边坡系数m= 1.5 ， 粗糙系数n=0.025 ，根据地面地形， 底坡采用， i= 0 .0003 ，设计流量 Q = 9 .68 m3 / s ，选定底宽 b =7m,试确定断面的开挖深度。
i ik
在 i 渠ik 道上闸门上游将形成a3型壅水曲线。 在 i 渠ik 道上闸门下游将形成c3型壅水曲线。
i 0
平坡渠道末端跌坎上游将形成b0型降水曲线。 在平坡渠道上闸门部分开启时，闸门下游将形成c0型壅水曲线。
i 0
逆坡长渠道末端为跌坎，若闸门后收缩断面水深小于临界水深， 则闸门下游为b’型降水曲线。跌坎上游将形成c’型壅水曲线。
（1）明渠均匀流断面平均流速、水深沿程不变； （2）明渠均匀流总水头线、测压管水头线（水 面线）与渠道底线互相平行； J Jp i
6.2.2 明渠均匀流的形成条件
（1）明渠流量沿程不变；
（2）顺坡（i>0）、且底坡沿程不变的棱柱形渠道；
（3）壁面粗糙系数n沿程不变; J Jp i （4）渠道上没有影响水流的建筑物或障碍物。
Q AC Rif(m ,b ,h 0,n ,i)
b、决定渠道坡度
c、决定渠道断面尺寸
（5）水力最优断面与实用经济断面
Q AC Rif(m 当,b i、,h 0 n,及n ,iA)大小一定时，使渠道所通过的
流量最大的那种断面形状称为水力最优断面。
Q
AR23i12 n
当in、i nA及5233 A给定时，水力半径R最大、即湿周
断面开挖深度
无压圆管均匀流
圆管过水断面的几何要素
无压圆管均匀流的流量和流速随 水深的变化
第四节 明渠流动状态
断面单位能量和 临界水深
6.1 概述
明渠流动：是指在河、渠等水道中流动，具有自由表面的水流。
自由表面相对压强为零，又称为无压流。 明渠流动：（1）恒定流与非恒定流；（2）均匀流与非均匀流
平坡渠道（i>0） 逆坡渠道（i>0）
2种水面线 2种水面线
i ik
在缓坡渠道上修建溢流坝，抬高水位使坝前水深超过相应流 量的正常水深时，坝上游将出现a1型壅水曲线。 在缓坡排水渠道末端河水位低于渠尾的正常水深时，上游将 出现b1型降水曲线。 在缓坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深， 形成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形 成c1型壅水曲线。
i ik
在急坡渠道上修建溢流坝，坝上游将出现a2型壅水曲线。 水流从缓坡渠道流入急流渠道时，缓坡渠道上将形成b1型降水 曲线，而急坡渠道上上将形成b2型降水曲线，而在变坡处通过 临界水深，形成跌水。 在急坡渠道上闸门开启时，闸后收缩断面水深小于临界水深，形 成急流，阻力大于重力分力，流体减速，水深增加，即形成c2型 壅水曲线。
6.6.1 棱柱形渠道渐变流基本微分方程
取两过水断面，列能量方程：
(z h ) 2 v g 2(z d z h d) h(v2 g d)2 v dw h
dh ds
iJ
1gQA23B
iJ 1Fr
顺坡渠道（i>0） 8种水面线
缓坡渠道（i<ik） 急坡渠道（i>ik）
3种水面线 3种水面线
临界坡渠道（i=ik） 2种水面线
第九章 明渠流动
重点内容 授课内容 思考题 作业
重点内容
1. 明渠均匀流水力计算 2. 明渠水流三种流态的判别 3. 明渠恒定非均匀渐变流水面曲线
分析 4. 水跃的特性和共轭水深计算
思考题
1、简述明渠均匀流的特性和形成条件， 从能量观点分析明渠均匀流为什么 只能发生在正坡长渠道中？
2、什么是正常水深？它的大小与哪些因 素有关？当其它条件相同时，糙率n、 底宽b或底坡i分别发生变化时，试 分析正常水深将如何变化？
明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交线称为渠底 线，渠底线的坡度称为底坡（i）。
iz1z2 sin
l
i z1 z2 tan
lx
铅垂断面为过水断面，
铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型
第二节 明渠均匀流的特征及其 形成条件
明渠过流断面的几何要素
梯形明渠边坡系数
水力最优断面
当i、n和 A 一定，使流量 Q 最 大的断面形状，定义为水力最优断 面。
最小的断面能通过最大的流量。
面积给定时，边界最小的几何图形是圆形， 因此管路断面形状通常为圆形。
（6）渠道的允许流速 （7）断面周界上粗糙度不同的渠道 （8）复式断面渠道
6.6 棱柱形渠道中渐变流水面曲线 分析
渐变流水面线分析的主要任务：
根据渠道的水深条件、来流的流量和控制断面条件来确 定水面线的沿程变化趋势和变化范围，定性地绘制水面曲线。
6.2.3 明渠均匀流的水力计算
（1）基本公式：谢才公式
v C RJ
v C Ri
QACRK 的i K 单位i同流量，称为流量模数
明渠水流一般属于紊流阻力平方区，采用曼宁公式或巴普洛 夫公式计算谢才系数。
（2）正常水深h0：明渠均匀流的水深为正常水深 （3）粗糙系数n的选定
（4）明渠均匀流水力计算问题 a、验算渠道的输水能力
6.1.1 明渠的底坡
明渠渠底与纵剖面的交 线称为底线，底线的坡 度称为底坡（i）。
iz1z2 sin
l
i z1 z2 tan
lx
铅垂断面为过水断面， 铅垂深度h为过水断面的水深。
底坡类型：
明渠断面的形状可以有多种形式。以梯形最具有代表性。
其几何要素可分为基本量和导出量。 基本量：底宽b、水深h、边坡系数m