第六章明渠恒定流(环境)

第六章 明渠均匀流

一、一、概念：

明渠是具有自由表面液体的渠道

分类（据形成）： 天然渠道→天然河流

人工渠道→人工河流、不满流的排水管渠 明渠流——明渠中流动的液体

又称重力流（依靠重力作用而产生）

也称无压流（自由表面相对大气压为0）

分类： 恒定流 均匀流

非恒定流 非均匀流

注意特殊性：A随的变化而变化，故不可能发生非恒定均匀流动。 2、水流运动的影响因素： 过水断面形状

过水断面尺寸

底坡的大小 2、

据影响把明渠分为： 1、棱柱形渠道 非棱柱性渠道

2、顺坡、平坡和逆坡渠道

二、

1、 1、 棱柱形渠道：

凡是断面形状、尺寸沿程不变，过水断面仅随水深变化而变化的常直渠道。

过水断面面积随形状沿程变化的渠道，称非棱柱形渠道。

棱柱断面 断面规则的长直人工渠道，同管径的排水管道、涵洞

非棱柱断面 连接两条在断面形状、尺寸，不同渠道的过渡段。

渠道断面类型：矩形、梯形、圆形、半圆形、此外有组合型、三角型（复式）、抛

物线型、卵型

2、 2、 顺坡、平坡、逆坡渠道：

底坡——渠道底面的坡度，用i表示，通常是指单位渠长。

l上的渠道高差，即sinlzi

z——渠底高差

l——对应z的相应渠长

——渠底与水平线的夹角

一般渠道底坡都很小，即很小，实际中，为方便测量渠长和水深，故常用tg代替sin，

水平渠长代替水流方向渠长，铅垂水深代替垂直于底坡的水深。

底坡分类：顺坡：0i，渠底沿程降低的底坡。

平坡：0i，渠底水平，平坡

逆坡：0i，渠底沿程升高。

意义：底坡i反映了重力在流动方向上的分力，表征水流推动力的大小，

i 愈大，重力沿水流方向分力愈大，流速愈快。

§6-1 明渠均匀流的形成条件和水力特征

一、一、明渠均匀流的形成条件：

1、 1、 明渠均匀流——水深、断面平均流速沿程都不变的流动。

⑴ 渠底必须沿程降低，即0i并且要在较长一段距离内保持不变。

第六章 明渠恒定均匀流

6.2已知h=1.2m，b=2.4m，m=1.5，n=0.025，i=0.0016，求v和Q。

解：

6.4已知：n=0.028，b=8m，i=80001，求Q（断面为矩形m=0)

解：

C=n1261=028.01×261=40.09m1/2/s

222223332.41.51.21.25.04212.421.211.56.730.750.00160.751.32(/)0.0251.325.046.65(/)AbmhhmbhmmARmivCRiRmsnQvAms2222333843221221621800032220.28(/)0.028mmmmmmmmmAbhmmmbhmARmiQACRiARmsn

6.7已知：矩形渡槽，b=1.5m，l=116.5m，Q=7.65m3/s，D进口=52.06m

h=1.7m，求i及D出口

解：

6.12已知：梯形渠道， Q=1.0m3/s，m=1.0, n=0.030，i=0.0022，最大允许不冲流速v’=0.8m/s，试根据不冲流速设计断面尺寸。

解：根据设计流速计算断面面积：

取

2'11.250.8QAmv161CRnvCRi33220.030.80.3660.00221.253.4150.366nvRmiAmR22()1.27213.415Abmhhmbhmm22221116622222220.0131.51.72.5521.521.74.92.550.524.9110.5269/0.0137.650.0036352.55690.52=-52.060.003635116.551.64nQACRiQiAbhmACRbhmARmCRmsnQiACRilm出口进口取

第五章 明渠恒定均匀流 第一节 概 述 一．明渠水流 1、明渠定义：人工渠道、天然河道、未充满水流的管道统称为明渠。 2、明渠水流是指在明渠中流动，具有显露在大气中的自由表面，水面上各点的压强都等于大气压强。故明渠水流又称为无压流。 明渠水流的运动是在重力作用下形成的。在流动过程中，自由水面不受固体边界的约束（这一点与管流不同），因此，在明渠中如有干扰出现，例如底坡的改变、断面尺寸的改变、粗糙系数的变化等，都会引起自由水面的位置随之升降，即水面随时空变化，这就导致了运动要素发生变化，使得明渠水流呈现出比较多的变化。在一定流量下，由于上下游控制条件的不同，同一明渠中的水流可以形成各种不同形式的水面线。正因为明渠水流的上边界不固定，故解决明渠水流的流动问题远比解决有压流复杂得多。 明渠水流可以是恒定流或非恒定流，也可以是均匀流或非均匀流，非均匀流也有急变流和渐变流之分。本章首先学习恒定均匀流。明渠恒定均匀流是一种典型的水流，其有关的理论知识是分析和研究明渠水流各种现象的基础，也是渠道断面设计的重要依据。 对明渠水流而言，当然也有层流和紊流之分，但绝大多数水流（渗流除外）为紊流，并且接近或属于紊流阻力平方区。因此，本章及以后各章的讨论将只限于此种情况。 二、渠槽的断面形式 （一）按横断面的形状分类 渠道的横断面形状有很多种。 人工修建的明渠，为便于施工和管理，一般为规则断面，常见的有梯形断面、矩形断面、U型断面等，具体的断面形式还与当地地形及筑渠材料有关。天然河道 一般为无规则，不对称，分为主槽与滩地。 在今后的分析计算中，常用的是渠道的过水断面的几何要素，主要包括：过水断面面积A、湿周、水力半径R、水面宽度B。对梯形断面而言，其过水断面几何要素计算公式如下： 2)()hmhmhbA（ hmmhb)12(1222

AR hmmhbB)2(2

式中，b为底宽；m为边坡系数；h为水深；为宽深比，定义为hb （二）按横断面形状尺寸沿流程是否变化分类 棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不变的长直明渠。在棱柱体明渠中，过水断面面积只随水深变化，即)(hAA。轴线顺直断面规则的人工渠道、涵洞、渡槽等均属此类。 非棱柱体明渠是指断面形状尺寸沿流程不断变化的明渠。在非棱柱体明渠中，过水断面面积除随水深变化外，还随流程变化，即),(shAA。常见的非棱柱体明渠是渐变段（如扭面），另外，断面不规则，主流弯曲多变的天然河道也是非棱柱体明渠的例子。 三 、明渠的纵断面和底坡 沿渠道中心线所做的铅垂平面与渠底的交线称为底坡线（渠底线、河底线），即明渠的纵断面。该铅垂面与水面的交线称为水面线。 对水工渠道，渠底多为平面，故渠道纵断面图上的底坡线是一段或几段相互衔接的直线。对天然河道，河底起伏不平，但总趋势是沿水流方向逐渐下降，因此，纵断面图上的河底线就是一条时有起伏但逐渐下降的波浪线。 为了表示底坡线沿水流方向降低的缓急程度，引入了底坡的概念。底坡是指沿水流方向单位长度内的渠底高程降落值，以符号i表示。底坡也称纵坡，可用下式计算。

第一章 绪论

液体和气体统称流体，流体的基本特性是具有流动性。

表面力是通过直接接触，作用在所取流体表面上的力。

质量力是作用在所取流体体积内每个质点上的力，因力的大小与流体的质量成比例，故称质量力（重力是最常见的质量力）。

惯性是物体保持原有运动状态的性质，改变物体的运动状态，都必须克服惯性的作用。表示惯性大小的物理量是质量，质量愈大，惯性愈大，运动状态愈难以改变。

密度：单位体积的质量，以符号ρ表示。（单位：kg/m3）。

流体的流动性：流体具有易流动性，不能维持自身的形状，即流体的形状就是容器的形状。流体在静止时不能承受剪切力，任何微小的剪切力作用，都使流体流动，这就是流动性的力学解释。

粘性是流体的内摩擦特性，或者说是流体阻抗剪切变形速度的特性。在简单剪切流动的条件下，流体的内摩擦力符合牛顿内摩擦定律。

牛顿平板实验。上平板带动粘附在板上的流层运动，而能影响到内部各流层运动，表明内部相邻流层之间存在着剪切力，即内摩擦力，这就是粘性的表象。因此说粘性是流体内摩擦特性。

牛顿内摩擦定律:T=μA(du/dy)【流体的内摩擦力T与流速梯度（U/h）=(du/dy)成比例，与流层的接触面积A成比例，与流体的性质有关，与接触面上的压力无关。】

[动力]粘度：反映流体粘性大小的系数，单位：Pa.s，值越大，流体越粘，流动性越差。

运动粘度：ν=μ/ρ。

液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度却随温度的升高而增大。其原因是液体分子间的距离很小，分子间的引力即内聚力是形成粘性的主要因素，温度升高，分子间距离增大，内聚力减小，粘度随之减小；气体分子间距离远大于液体，分子热运动引起的动量交换是形成粘性的主要因素，温度升高，分子热运动加剧，动量交换加大，粘度随之增大。

无粘性流体，是指粘性，即μ=0的液体。无粘性流体实际上是不存在的，它是一种对物理性质进行简化的力学模型。

压缩性是流体受压，分子间距离减小，体积缩小的性质。