11 水力学下 第一讲 明渠均匀流与非均匀渐变流1.pptx

第1页：第一讲 明渠水流概述

明渠均匀流与非均匀渐变流

• 明渠急变流

• 闸堰过流

• 泄洪消能

• 渗流水力学2Open ChannelHydraulics课程内容与特点第一讲

第2页：主要参考文献

主要参考文献明槽急变流，余常昭编著，清华大学出版社，1999，TV131.3Y749明渠不恒定流，第一卷，林秉南译，水利电力出版社，1987，TV133/2计算水力学，周雪漪编著，清华大学出版社，1994，TV131.42800流体力学中的有限元方法，章本照编著，机械工业出版社，1986，O3534流体力学的有限元分析，『美』T.J.Chung,张二骏等译，电力工业出版社，1980，O3511计算浅水动力学—有限体积法的应用，谭维炎著，清华大学出版社，1998，TV139.2,T138

第3页：主要参考文献

主要参考文献rankM.white,FluidMechanics,4thed.McGarw-Hill,1999SergioMontes,HydraulicsofOpenChannelFlow,ASCEPress,1998,清华大学图书馆书号TV133,FM77M.HanifChaudhry,Open-ChannelFlow,1993byPrentice-HallInc.,EnglewoodCliffs,NewJersey,07632.清华大学图书馆书号TV131.2,FC49其余参考书见网络学堂

第4页：考核办法

考核办法作业

15％常规实验课：10％平时成绩：15％期末考试：60％考核方法见网络学堂

第5页：授课说明与联系方式

几点说明：

• 授课教师江春波TEL:6278-37046246-8903jcb@mail.tsinghua.deu.cn旧水207室

• 课件见网络学堂水力学2

• 教学日历与参考书见网络学堂

• 实验课与李春华老师联系旧水一楼TEL:6278-22976278-5159

• 教材水力学2清华大学编著

• 批改作业泌勇民TEL:6278-22976278-9138每周一之前由课代表收齐作业，及时上交

第6页：第一章 作业

明渠均匀流与非均匀渐变流第一章作业：P7013-213－613-713-18

第7页：第一节 明槽水流概述

明槽水流的水力特征

• 明槽水流的计算任务

• 明槽槽身及明槽水流的类型第一节概述动画明渠均匀流

第8页：一、明槽水流的水力特征

有压流动明渠流动一.明槽水流的水力特征QACrosssectionA-AAAAQCrosssectionA-A

第9页：一、明槽水流的水力特征

• 存在自由水面

• 重力起主导作用佛汝德数(FroudeNumber)3.水面不受固体边界的限制AAQCrosssectionA-ARe、Fr的物理意义?

一.明槽水流的水力特征

第10页：明槽水流的计算任务

二.明槽水流的计算任务

• 过水能力问题(校核时求Q)2.设计问题:．求i．求h、b(已知Q、i、n、m)梯形和矩形断面,可用计算、查图表法

• 求水面变化(水面线计算,不讲)

第11页：三、明槽槽身及明槽水流的类型明槽

棱柱型槽

断面形状和尺寸沿程不变的明槽三.明槽槽身及明槽水流的类型明槽槽身形式分类非棱柱型槽：断面形状和尺寸沿程变化的明槽

第12页：均匀(很少)流动分类

非均匀

• 非恒定流

非均匀

恒定流

• 均匀(很少)流动分类

第13页：底坡与明槽类型

.底坡.2gαv2hcosθi>

0hz1z2θ

• 反坡陡坡缓坡临界底坡V1122L

第14页：第二节 明槽恒定均匀流

第二节明槽恒定均匀流

• 明槽恒定均匀流的特征及其形成条件

• 明槽均匀流的基本公式——连续方程和谢才公式

• 明槽恒定均匀流的水力计算

• 明槽恒定均匀流的水力计算的几个问题

第15页：明槽恒定均匀流的形成条件

一明槽恒定均匀流的特征及其形成条件1．明槽均匀流的水力特征■匀速直线运动■​h,v,A流速u分布沿程不变；

J=Jz(Jp)=iGsinθ。

第16页：一、明槽恒定均匀流的特征及其形成

一.明槽恒定均匀流的特征及其形成条件11hV22i>

0z1z2θL2gαv2hcosθhf2．均匀流动形成的条件①恒定流②Q沿程不变③为棱柱型槽④i和n沿程不变⑤i>

第17页：二、明槽均匀流的基本公式

二.明槽均匀流的基本公式21An(K=ACR)R3i2=KiQ=ACRi=o基本公式1)Q=v1A1=v2A221R3i21nv=CRi=2)

第18页：谢才公式的推导

• ①hθzΔxP1Ffτ=ρgRJwx2wPdhΔxdx3Pτ=kρv2圆管流动时的切应力表达式?

.谢才公式.

第19页：谢才系数与流量模数

量纲211

• [C]=LT1

• =[g2]−

• 流量Q=ACRi=Ki流量模数K=ACR.谢才公式.v=CRJ谢才公式（运动方程）谢才系数C=f(n,R)

第20页：谢才公式的适用条件

恒定均匀流(非均匀渐变流).谢才公式.

• 谢才公式适用条件:

• 阻力平方区

• i>

• 单位m.s?

第21页：谢才系数的确定

谢才系数的确定：下表列出相关数据。

B.巴甫洛夫斯基公式

C=1Ryn当R<1m时y=1.5ny=1.3n当R>1m时A曼宁公式C=1R16n谢才公式

• 谢才系数的确定:

第22页：天然河道中影响糙率n值的因素

天然河道中影响糙率n值的因素①河床表面粗糙②断面的不规则、平弯情况、滩地交叉、河道阻碍情况③河堤沙坡影响随水深变化糙率n值的确定

第23页：三、明槽恒定均匀流的水力计算

三.明槽恒定均匀流的水力计算

• 校核过流能力问题Q

• 设计渠槽的底坡i

• 设计渠槽断面尺寸bh

第24页：校核渠道输水能力

面积A=bh+mh2湿周χ=b+2h1+m2校核渠道输水能力已知mbhni,求QC=1Ryn当R<1m时y=1.5n流量Q=ACRi=Ki例-1bhmhm1水力半径R=Aχ

第25页：设计渠槽的底坡

例-2(二)设计渠槽的底坡i已知mbhnQ,求inC=1Ry当R<1m时y=1.5nQ=ACRi=KiK=ACRQ2i=K2A=bh+mh2χ=b+2h1+m2χR=A

第26页：设计渠槽断面尺寸

例-3(三)设计渠槽断面尺寸已知Qmni,求bh1已知正常水深h0,求底宽b2已知底宽b,求正常水深h03根据流量大小,选定宽深比b/h04根据允许流速,选定b和hA=Q/V=f(b,h)V=CRi→R=A/χ=g(b,h)

第27页：渠道设计算例

渠道设计算例：下表列出相关数据。

例-4已知m=2.0,n=0.025,i=1/2500,h0=1.25,Q=5m3/sK0=Q/i=(1.25b+3.125)5/30.025(b+5.59)2/31[(b+mh)h]5/3n(b+2h1+m2)2/3K=K=ACRC=1R1/6nR=A/χ假设b,求出k,迭代到k=k0查图

第28页：四、明槽恒定均匀流的水力计算的几

四.明槽恒定均匀流的水力计算的几个问题1水力最优断面（了解）(besthydraulicsection)3.断面周界上粗糙程度n不同的水力计算（了解）4.复式断面渠道的水力计算（了解）2渠道中的允许流速问题（了解）

第29页：水力最优断面

水力最优断面水力最优断面

过流断面的面积糙率底坡一定,通过的流量最大的断面形状流量Q=ACRi=Ki面积糙率底坡一定,流量最大,要求R最大χR=A面积A一定湿周最小圆:面积一定,周长最小

第30页：梯形断面水力最优条件

水力最优断面(梯形)–了解程度bhm1mh面积:湿周:A=bh+mh2χ=b+2h1+m2dχ=db+21+m2=0dhdhdhdhdA=(b+mh)+h(db+m)=020b=2(1+m−m)

• β=矩形:h=b/2

第31页：第三节 明槽水流的两种流动状态

第三节明槽水流的两种流动状态

• 缓流、急流、临界流(Subcritical、Supercritical、Criticalflows)2.微波流速C、临界流速

• 流态判别数——佛汝德数Fr

第32页：缓流、急流与临界流

本页讲解缓流、急流与临界流三种流态，静止水体可作为微波波速为零的特例理解。

第33页：一、缓流、急流、临界流

0<

V<

CFr<

1一.缓流、急流、临界流

第34页：一、缓流、急流、临界流

一.缓流、急流、临界流

• 急流V>

CFr>

第35页：一、缓流、急流、临界流

临界流V=CFr=1一.缓流、急流、临界流

第36页：二、微波流速、临界流速

chΔhNNhAΔAΔhBa.b.c.1100Δh22v1=cv2二.微波流速、临界流速

第37页：二、微波流速、临界流速

2pαvγ2gpαv2γ2g+11=z2+2+22z1+11v=C,AA+ΔAv=C2pz+γ=h11z=h+Δhγ+p22令二.微波流速、临界流速1100Δh221v=c

第38页：微波波速

微波的Δh很小，可令ΔA=BΔh，代入上式得静水中干扰微波波速CBBC=±2A+Δh2g(A+Δh)2gABC=±能量方程化为2AC2C22g2gA+ΔAh+=(h+Δh)+()

• 矩形断面A=BhC=±gh二微波流速、临界流速B指哪里？

第39页：三、流态判别数

佛汝德数Fr(FroudeNumber)重力glV惯性力流速重力波波速Fr=

• 任意形状断面vgA/BFr=

• 矩形断面vghFr=有压管流的雷诺数的物理意义?

三.流态判别数

第40页：明渠均匀流小结

• 明渠水流的基本方程v1A1=v2A2v=CRJ曼宁公式连续方程Q=ACRi=Ki流量

• 明渠均匀流的水力计算问题

• 校核过流能力问题Q

• 设计渠槽的底坡i

• 设计渠槽断面尺寸bh谢才公式C=1R16n

第41页：流态判定与佛汝德数

佛汝德数物理意义重力波速惯性力=流速vgA/B=v/cFr=Fr>

1,急流Fr=1,临界Fr<

1,缓流小结

• 流态判定:急流缓流临界流