17 水力学下 第七讲 明槽恒定急变流1.pptx

第1页：本章主要内容

第七讲第十四章明槽恒定急变流第十四章明槽恒定急变流作业：14-1114-1314-16(按平底水跃计算)作业：14-1114-1314-16(按平底水跃计算)RapidVariedSteadyFlowsinOpenChannelRapidVariedSteadyFlowsinOpenChannel本章主要内容

• 明渠急变流的特点

• 水跃与消能

• 闸孔出流（教材上册）

• 堰顶溢流本章主要内容τ明渠急变流的特点τ水跃与消能τ闸孔出流（教材上册）τ堰顶溢流

第2页：急流,缓流,临界流

1流态分析上章回顾1流态分析2水面线分析2水面线分析3水面线计算3水面线计算ds1−Fr2dh=i−Jf基本公式12条曲线1、3区壅水，2区降水与N-N线相切，与C-C线垂直fdEs=i−Jds人工渠道)+Jf=0v2ds2gddz+ds(1+

• )(天然河道明渠恒定非均匀渐变流谢才公式,Fr,比能E，波速C;

急流,缓流,临界流

第3页：内容提要

内容提要τ明槽急变流的特点τ水跃现象与水跃形成条件τ平底棱柱形明槽中的水跃方程τ平底矩形断面明槽中的水跃方程τ共轭水深算法：试算,查图,求解N-S方程τ水跃长度计算τ讨论，应用举例τ小结重点重点

第4页：第一节 明渠急变流概述

第一节明渠急变流概述1明槽恒定急变流动的定义

• 急变流形成的原因平面弯曲，断面变化，槽底的改变等何处发生急变流？

在较短的槽段中水面，流速分布等都发生急剧变化的一种流动。

由于局部槽段的边界形状发生急剧变化引起流动形态的急剧变化

急变流

渐变流

• 非均匀流

• 恒定水流

• 均匀流(u

• )u=0

• 水跌录像

第5页：急变流动主要特征

3急变流动主要特征τ流线夹角较大，不能视为平行二直线；

流线弯曲显著，离心惯性的作用不容忽略；

τ急变流过水断面上的动水压强分布规律，不同于静水压强τ急变流的局部阻力为主？

急流与急变流的区别

第6页：第三节 水跃

水跃HydraulicJump一水跃现象教材109页葛洲坝二江泄水闸第三节水跃Themostimportantofthelocalnon-uniformflowphenomenaisthatwhichoccurswhensupercriticalflowhasitsvelocityreducedtosubcritical.Asexplainedinthesurfaceprofiles,thereisnoordinarymeansofchangingfromsupercriticaltosubcriticalflowwithasmoothtransition,becausetheorycallsforaverticalslopeofthewatersurface.Theresultisamarkeddiscontinuityinthesurface,characterizedbyasteepupwardslopeoftheprofile,brokenthroughoutwithviolentturbulence,andknownuniversallyasthehydraulicjump.

第7页：水跃组成与特点

• 水跃组成与特点2)跃区上述两部分并非有明显的界限，旋滚与主流之间交界层流速梯度水跃一水跃现象1)水跃组成

• 表面旋滚（SurfaceRoller）

• 急流的主流水股（MainFlow）

第8页：水跃实验动画与录像

水力学实验室的水跃实验动画与录像，用于观察水跃的形成过程与流态变化。

第9页：水跃现象与有关名称

一水跃现象面；

1有关水跃的几个名称

• 跃首（或跃前）断

• 跃尾（或跃后）断面；

• 跃前水深1h'(h)h''(h)

• 跃后水深

• 跃高2a=h''−h'

• 跃长(时间平均值))lja

第10页：水跃现象与发生条件

一水跃现象2发生水跃的条件

急流到缓流过渡ThehydraulicjumpcanperhapsbestbeexplainedbyreferringtotheM3curve.DownstreamofthesluicegatetheflowdeceleratesbecausetheslopeisnotgreatenoughtomaintainsupercriticalflowThehydraulicjumpcanoccurfromanupstreamconditionofuniformsupercriticalflowtoanon-uniformS1curvedownstreamwhenthereisanobstructiononasteepslope.Itcanoccurfromanon-uniformupstreamconditiontoanon-uniformdownstreamcondition,asillustratedbytheH3-H2,A3-A2,M3-M2combinations.

第11页：计算共轭水深：已知h'(或h''

一水跃现象

• 计算共轭水深：已知h'(或h''),求h''(或h');

• 计算水跃长度;

lj1EK=ΔE×100%jΔE

• 计算水跃消能量和消能效率3水跃计算所要求解的问题：h1h2

第12页：二、平底棱柱型明槽的水跃方程式

二.平底棱柱型明槽的水跃方程式1自由水跃的共轭水深推导Fτ≈0α01≈α02≈α0假定1水流与槽身接触面上的粘性阻力可以忽略不计3跃前，跃后两断面上流速的动量修正系数满足2在跃前和跃后两断面上水流为渐变流，动水压强可以按静水压强的分布规律计算yc2①②v1v2P1P2h2h1GFthc

第13页：平底棱柱型明槽的水跃方程式

二平底棱柱型明槽的水跃方程式gA2gA10+yc1A1=0+yc2A2αQ2αQ20(v2−v1)P1−P2=αρgQgP=

• AρgydA=ρgycA1自由水跃的共轭水深推导一维恒定总流动量方程①②v2P2h2v1h1GP1hcFtyc2

第14页：水跃函数J(h)与共轭水深

二平底棱柱型明槽的水跃方程式JyCC2.水跃函数J(h)：对任意形状断面平底棱柱型明槽，通过某一流量Q时，绘制水跃函数曲线J(h)—h1J(h)=J(h)共轭水深①②1v2P2h2vh1GFtP1hcyc220gAc+yA=J(h)αQ2J-h

第15页：共轭水深的试算法与图解法

二平底棱柱型明槽的水跃方程式1）试算法2水跃函数J(h)：Jyh''J(h)=α0Q/(gA)+yA2cJ(h′)=J(h′)作J(h)~h，已知h'求h''J~hJ(h')=J(h'')2）图解法h′~J(h′)J(h′)=J(h′)h'

第16页：水跃函数的临界水深

3临界水深gA2∂h∂h=(0+ycA)=−0+(ycA)∂h∂hgA∂J(h)αQ2∂A∂∂αQ2JyJ~hAΔhB静面积矩水跃函数cJ(h)=(0+yA)αQ2=0gA∂h∂J(h)=−0+A=0gA2∂h∂h∂J(h)αQ2∂AgA3B0=αQ2关于水面新静面积矩定义y'c(A+ΔA)y'c(A+ΔA)−ycA=[ΔhA+1(BΔh)Δh]/Δh=A+1BΔhΔh22所以hcJminhchc关于水面新静面积矩另一种形式c2(y+Δh)A+1ΔhΔA

第17页：水跃共轭水深方程式

三水跃共轭水深方程式[]222'

1−1

• ==1r11+8F2−1h'gh'3

h"h

1+8

• α0q222

• '=1r21+8F2−1]−1

• =h"[

• 1hh"

1+8

• gh‘’3α0q12gAgAc22c11A=0+yA0+yαQ2αQ2设矩形断面底宽b，水深h，则平底棱柱型矩形断面明槽bh

第18页：水跃长度的定义

四水跃长度2主要通过实验确定3对不同的断面明槽，通过试验得出计算Lj的公式不同.原因:①水跃不停的摆动;

• 对水跃跃尾的选定，有不同的标准。

1定义lj平底棱柱型矩形断面明槽

第19页：四水跃长度几种常用公式(矩形断面

四水跃长度几种常用公式(矩形断面）1）以跃后水深h’’表示l=6.1h'',条件

• 5<F<10jr1USA垦务局《DesignofSmallDams》2)以跃高表示lj=6.9a=6.9(h''−h')没有适用条件限制

第20页：水跃长度常用公式

水跃长度常用公式：下表列出相关数据。

四水跃长度3）以Fr1表示—陈椿庭公式r1jl=9.4h'(F—吴持恭公式'−1.0)1.0(−1.0)0.93r1jl=10.8hFFr1<

• 5'(−11.0)0.81r1jl=10.3hF几种常用公式：（矩形断面）

第21页：讨论题一 水跃类型与位置

讨论题114-16－水跃类型与水跃发生的位置CCi>

ici<

icR=h02由h02，先求Q，再求出陡坡段正常水深h01以h01作为跃前水深h1，近似用平底水跃公式,求出共轭水深h2h02h01NNNCN

第22页：讨论题一 水跃类型判断

讨论题114-16－水跃类型与水跃发生的位置比较h2与h02关系，判断水跃的类型临界水跃(h2＝h02)CCi>

ici<

ich02NCNh01NN

第23页：讨论题一 远驱水跃位置

讨论题114-16－水跃类型与水跃发生的位置CCCi>

ici<

ich02NNh01NN若是远驱水跃(h02<

h2),在缓坡上以M3连接(M3+Jump),进行水面线计算；

(Jump+S1)水面线计算若是淹没水跃(h02>

h2)，在陡坡上以S1连接(Jump+S1)，进行水面线计算；

M+Jump水面线计算h23

第24页：讨论题二 梯形断面水跃计算

讨论题二 梯形断面水跃计算：下表列出相关数据。

讨论题2梯形断面水跃计算例题P120_14-5bhmhm1已知b=7m,m=1,Q=54.3m3/s,h1=0.8m画出h-E(h),h-J(h)曲线2g2gA2v2Q2E=h+=h+b+mhyc=bh3b+2mhA=h(b+mh)Q2J(h)=+ycAgAh-J(h)J(h)E(h)hh1h2h

第25页：讨论题三 圆形断面水跃计算

讨论题三 圆形断面水跃计算：下表列出相关数据。

讨论题3圆形断面水跃计算rθ=2arcsin(h−r)+π已知：Q=1m3/s,D=1m,h1=0.4m,求h2Dh2Dh1例题P139_14-17gAc2J(h)=Q+yA水跃函数yc=go+h−r型心位置2A=1r2[θ−sin(θ)]面积360x=θ2πr湿周)22π−θb=2rsin(水面宽度12xgo=1b2圆心到形心的距离

第26页：Summary

Summaryτ矩形断面水跃函数gA2gA10+yc2A20+yc1A1=αQ2αQ222''[1+8Fr1−1]'=hhτ共轭水深的求法试算，Excel,查图τ水跃函数τ明渠急变流的特点τ水跃形成的条件τ动量守恒方程应用与假定τ水跃长度计算

第27页：小测验

小测验（2）写明姓名学号班级1在M1,M2,M3,S1,S2,S3,C1,C3,H2,H3类型水面线中，选出比能沿程增加的流动（指出曲线名称），并说明为什么？

2写出人工渠槽水面线的详细计算步骤和有关公式