明渠恒定非均匀流
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第16讲(2课时)第六章 明渠恒定非均匀流明渠非均匀流特点:明渠大的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。
产生非均匀流的原因:断面几何形状或尺寸沿流程改变,粗糙度或底坡沿流程改变,或有局部干扰。
分为渐变流和急变流。
分析水深的变化规律,)(s f h =;为区别将均匀流的水深称为正常水深,并以0h 表示。
★6-1 明渠水流的三种流态微波波速(相对速度)w V ,断面平均流速V 。
w V V <时,水流为缓流,干扰波能向上游传播; w V V =时,水流为临界流,干扰波不能向上游传播; w V V >时,水流为急流,干扰波不能向上游传播。
由连续方程2)(V h h hV w ∆+=及能量方程gV h h gV h w 2222221αα+∆+=+,可得:gh h h h h gh V w ≈∆+∆+=)2/1()/1(2,若为任意断面时,h g V w =,B A h /=平均水深。
定义佛汝德数(Froude ), hg V Fr =则:当Fr<1时,水流为缓流;当Fr=1时,水流为临界流;当Fr>1时,水流为急流。
佛汝德数的物理意义是,一单位动能与单位势能之比的两倍开方;二惯性力与重力的对比。
★6-2 断面比能与临界水深一、断面比能、比能曲线断面比能:以渠底为基准面,所计算得到的单位总能量,以s E 表示。
2222222cos gAQ h gV h gV h E s αααθ+=+≈+=当流量和过水断面的形状尺寸一定时,断面比能仅是水深的函数。
即)(h f E s =。
比能曲线:断面比能随水深变化的关系曲线。
以h 为纵坐标,以比能为横坐标。
比能曲线特征:当0→h 时,0→A ,则∞→222gAQ α,故∞→s E ;当∞→h 时,∞→A ,则0222→gA Q α,故∞→s E 。
比能曲线是一支二次抛物线,曲线的下端以水平线为渐进线,上端以过原点的45度直线为渐进线。
有一最小值,将曲线分为两支。
第六章 明渠恒定非均匀流明渠中由于水工建筑物的修建、渠道底坡的改变、断面的扩大或缩小等都会引起非均匀流动。
非均匀流动是断面水深和流速均沿程改变的流动。
非均匀流的底坡线、水面线、总水头线三者互不平行。
根据流线不平行的程度,同样可将水流分为渐变流和急变流。
明渠非均匀流的水面曲线有雍水和降水之分,即渠道的水深沿程可升可降。
解决明渠非均匀流问题的思路:建立微分方程,进行水面曲线的定性分析和定量计算。
第一节 明渠水流的两种流态及其判别一、从运动学观点研究缓流和急流1、静水投石,以分析干扰波在静水中的传播干扰波在静水中的传播速度称为干扰波波速和微波波速,以w v表示。
如果投石子于流水之中,此时干扰所形成的波将随着水流向上、下游移动,干扰波传播的速度应该是干扰波波速wv 与水流速度v 的矢量和。
此时有如下三种情况。
(1)wv v <,此时,干扰波将以绝对速度0<-='w v v v 上向上游传播(以水流速度v的方向为正方向讨论),同时也以绝对速度0>+='w v v v 下向下游传播,由于下上v v '<',故形成的干扰波将是一系列近似的同心圆。
(2)wv v =,此时,干扰波将向上游传播的绝对速度0=-='w v v v 上,而向下游传播的绝对速度02>=+='w w v v v v 下,此时,形成的干扰波是一系列以落入点为平角的扩散波纹向下游传播。
(3)wv v >,此时,干扰波将不能向上游传播,而是以绝对速度0>-='w v v v 上向下游传播,并与向下游传播的干扰波绝对速度0>+='w v v v 下相叠加,由于下上v v '<',此时形成的干扰波是一系列以落入点为顶点的锐角形扩散波纹。
这样一来,我们就根据干扰波波速wv 与水流流速v 的大小关系将明渠水流分为如下三种流态——缓流、急流、临界流。
第七章明渠恒定非均匀流第一节概述第二节明渠水流的流态及其判别一、急流、缓流的运动学分析缓流:河流中有些水面宽阔的地方底坡平坦,水流缓慢当水流遇有障碍时(如大石头)急流:在河流有些水面狭窄的地方底坡陡峻,且水流湍急将一块石子投入静水中,四周扩散(v + v w),向上游传播的绝对速度为(v w-当水流的流速等于波速(v= v w)时,微波向下游传播的绝对速度是2 v w。
当水流流速大于波速(v > v w )时,微波只向投石点下游传播,对上游的流动没有影响。
明渠流态:缓 流 v < v w ; 临界流 v = v w ; 急 流 v > v w 式中,v 为水流速度,vw 为微波(扰动波)波速判断明渠水流流态必须已知水流速度、微波(扰动)波速;如何考虑微波(扰动)波速?(一) 明渠中微波传播的相对波速一平底矩形断面水渠,水体静止,水深为h ,水中有一个直立的平板。
用直立平板向左拨动一下,板左边水面激起一微小波动,波高∆h ,波以速度v w 从右向左传播。
观察微波传播: 波形所到之处将带动水流运动,流速随时间变化,是非恒定流,但可化为恒定流。
选动坐标随波峰运动,假想随波前进来观察渠中水流相对于动坐标系 波静止渠中原静止水体以波速v w 从左向右流动,整个水体 等速度向右运动,水流为恒定流,水深 沿程变化,是非均匀流。
断面2:波峰处断面1:未受波影响忽略能量损失,由连续方程和能量方程 得 能量方程:()gvh h gvh w2Δ222121αα++=+连续方程:()w Bhv v h h B =+2 Δ式中,B 为水面宽 由此得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+=h h h h gh v w 2Δ1/Δ1对于波高 Δh << h 的波—小波 h g v w =v式中:B A h =,断面平均水深,A 为过水断面面积,B 为水面宽度 顺水波:h g v v v v w w +=+=' (微波传播方向和水流方向一致) 式中,'w v 顺水波传播波速。
明渠恒定均匀流和非均匀流概述1.1 明渠的分类由于过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水流运动有重要影响,因此在水力学中把明渠分为以下类型。
(1) 棱柱形渠道和非棱柱形渠道凡是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。
前者的过水断面面积A 仅随水深h 变化,即A =f (h );后者的过水断面面积不仅随水深变化,而且还随着各断面的沿程位置而变化。
(2) 顺坡(正坡)、平坡和逆坡(负坡)渠道明渠渠底线(即渠底与纵剖面的交线)上单位长度的渠底高程差,称为明渠的底坡,用i 表示。
图4-1如图4-1(a),1-1和2-2两断面间,渠底线长度为Δs ,该两断面间渠底高程差为(a 1-a 2)=Δa ,渠底线与水平线的夹角为θ,则底坡i 为θsin 21=∆∆=∆-=sa s a a i (4-1) 当渠底坡较小时,例如θ<6°时,可近似认为Δs ≈Δl ,则式(4-1)变为 θtan =∆∆≈∆∆=la s a i (4-2) 所以,在上述情况下,过水断面可以看作铅垂平面,水深h 可沿铅垂线方向量取。
明渠底坡可能有三种情况(如图4-2)。
渠底高程沿流程下降的,称为顺坡 (或正坡),规定i >0;渠底高程沿流程保持水平的,称为平坡,i =0;渠底高程沿流程上升的,称为逆坡 (或负坡),规定i <0。
明渠的横断面可以有各种各样的形状。
天然河道的横断面,通常为不规则断面。
人工渠道的横断面,可以根据要求,采用梯形、圆形、矩形等各种规则断面。
图4-21.2 明渠均匀流的特征和形成条件1.2.1明渠均匀流的特征明渠均匀流有下列特性:(1) 过水断面的形状和尺寸、流速分布、水深,沿流程都不变;(2) 总水头线、测压管水头线(在明渠水流中,就是水面线)和渠底线三者为相互平行的直线(图4-1a),因而它们的坡度相等,即J=J p=i(4-3)1.2.2明渠均匀流的形成条件对明渠恒定均匀流,图4-1(b),取1-1、2-2断面之间的水体作为研究对象,分析这块水体上的受力,并沿流向写动力平衡方程为P1-P2+G sinθ-T=0式中P1和P2为1-1和2-2过水断面的动水压力,G为Δs流段水体重量,T为边壁(包括岸壁和渠底)阻力。
第七章明渠恒定非均匀流由于产生明渠均匀流的条件非常严格,自然界中的水流条件很难满足,故实际中的人工渠道或天然河道中的水流绝大多数是非均匀流。
明渠非均匀流的特点是底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行(如图7-1所示)。
产生明渠非均匀流的原因很多,例如明渠横断面的几何形状或尺寸的沿流程改变,粗糙度或底坡沿流程改变,在明渠中修建水工建筑物(闸、桥梁、涵洞等),都能使明渠水流发生非均匀流。
明渠非均匀流中也存在渐变流和急变流,若流线是接近于相互平行的直线,或流线间夹角很小、流线的曲率半径很大,这种水流称为明渠非均匀渐变流。
反之,则为明渠非均匀急变流。
图7-1本章首先分析和讨论明渠非均匀流的一些基本概念和明渠急变流(水跃和水跌),然后讨论明渠非均匀渐变流水深(或水位)沿程变化的基本方程,最后着重研究水面曲线变化规律,并进行水面线计算。
而本章的重点是明渠非均匀流中水面曲线变化的规律及其计算方法。
在实际工程中,例如,在桥渡勘测设计时,为了预计建桥后墩台对河流的影响,便需算出桥址附近的水位标高;在河渠上修建水电站,为了确定由于水位抬高所造成的水库淹没范围,亦要进行水面曲线的计算。
因明渠非均匀流的水深沿程变化,即h=f(s),为了不致引起混乱,将明渠均匀流的水深称为正常水深,以h0表示。
§7-1 明渠水流的三种流态明渠水流有的比较平缓,象灌溉渠道中的水流和平原地区江河中的流动。
如果在明渠水流中有一障碍物,便可观察到障碍物上水深降低,障碍物前水位壅高能逆流上传到较远的地方(见图7-2a);而明渠水流有的则非常湍急,像山区河道中的水流,过坝下溢的水流,跌水、瀑布和险滩地的水流。
如遇障碍物仅在石块附近隆起,障碍物上水深增加,障碍物干扰的影响不能问上游传播(见图7-2b)。
上述两种情况表明,明渠水流存在两种不同的流态。
它们对于所产生的干扰波(Disturbance Wave)的传播,有着不同的影响。
障碍物的存在可视为对水流发生的干扰,下面分析干扰波在明渠中传播的特点。
第九章 明渠恒定非均匀流一.明渠非均匀流的特征:◆1.重力在流动方向的分力与阻力不平衡。
◆2.流速与水深沿程发生变化。
◆3.水面线一般为曲线 。
◆4.水力坡度J 、水面坡度Jp 和渠道底坡i 互不相等。
二.明渠非均匀流的几种流动现象:1.壅水现象:水深沿程增加,流速沿程减小,这种现象称为壅水现象。
相应的水面曲线 称为壅水曲线。
2.降水现象:水深沿程减小,流速沿程增大,这种现象称为降水现象。
相应的水面曲线称为降水曲线。
三.本章主要研究的问题:在明渠恒定非均匀流中,确定断面水深和水面曲线。
§9-1 明渠水流的三种流态、佛汝德数一.微小扰动波的波速C :在平底(i=0)棱柱形明渠中,液体静止,外界引起的干扰微波向左右传波。
现以随波峰向左移动、速度为C 的运动作标系来看:相对于这个坐标系,水流以速度C 向右运动(波峰固定不动),流动为恒定流,如图所示。
对相距很近的1—1和2—2断面列伯努利方程(不计损失),有:g V αγp h h g V αγp h a a 22222211++∆+'=++'C V αα===1210.1注意到:取又,由连续性方程,有: ()dA A V A V A V +==122211dAA A CdA A A V V +=+=∴111112 ()212212212121212212122222222B dAA B A B A g C h dAA A A g C h dA A A g C h g C ++∆=++∆=++∆=∴即为渠中水深。
)(显然,对于矩形断面。
为过流断面的平均水深引入:m m h BA h 1=hh h h g C h g C m m m ∆++∆=∴2222222 h g gh C m ∆+=22整理得:m gh C h =→∆20有:时,当mgh C =∴二.明渠水流的三种流态:1.当V>C 时,液体所遇到的扰动不能向上游传播,这种流动,称为急流。
第六章 明渠恒定非均匀流考点一 明渠恒定非均匀流产生的条件及特点1、明渠恒定非均匀流的产生当明渠底坡或粗糙系数沿程变化,或渠道的横断面形状(或尺寸)沿程变化,或在明渠中修建水工建筑物(闸、桥梁、涵洞等)使明渠中的流速和水深发生变化,这些均会在明渠中形成非均匀流。
2、非均匀流的特点非均匀流的特点是明渠的底坡、水面线、总水头线彼此互不平行。
也就是说,水深和断面平均流速v 沿程变化,流线间互不平行,水力坡度线、测压管水头线和底坡线彼此间不平行。
3、主要任务研究明渠恒定非均匀流的主要任务是:(1)定性分析水面线;(2)定量计算水面线。
考点二 明渠水流的三种流态及其判别1、明渠水流的三种流态一般明渠水流有三种流态,即缓流、临界流和急流。
(1)缓流:当水深较大,流速较小,渠道中有障碍物时将会产生干扰波,这时干扰波既能向上游传播也能向下游传播,这种水流流态称为缓流。
(2)急流:当水深较浅,流速较大,渠道中遇障碍物时,同样也产生干扰波,但这种干扰波只能向下游传播,这种水流流态称为急流。
(3)临界流:在缓流和急流之间还存在另一种流动,那就是水流流速与干扰波的波速相等,此时干扰波只能向下游传播,这种水流流态称为临界流,临界流的流动形态不稳定。
2、明渠水流流态的判断方法 (1)微波流速法波速法是只要比较水流的断面平均流速v 与微波的相对速度w v 的大小,就可以判断干扰波是否会向上游传播,也可以判断水流是属于哪一种流态。
当 w v v <时,水流为缓流,干扰波能向上游传播w v v =时,水流为临界流,干扰波不能向上游传播 w v v >时,水流为急流,干扰波不能向上游传播明渠中波速的计算公式为矩形渠道 gh v w =其他渠道 h g B gA v w ==/在断面平均流速为v 的水流中,微波传播的绝对速度绝w v 应是静水中的相对波速w v 与水流速度的代数和,即h g v v v w w ±=±=v 绝式中,微波顺水流方向传播的绝对速度用“+”号,微波逆水流方向传播的绝对速度用“-”号。