文档介绍：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,;为区别将均匀流的水深称为正常水深,并以表示。
★6-1 明渠水流的三种流态
微波波速(相对速度),断面平均流速V。
时,水流为缓流,干扰波能向上游传播;
时,水流为临界流,干扰波不能向上游传播;
时,水流为急流,干扰波不能向上游传播。
由连续方程及能量方程,
可得:,若为任意断面时,,平均水深。
定义佛汝德数(Froude),
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,以表示。
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。
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:当时,,则,故;
当时,,则,故。
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。上支比能随水深增加而增加,下支比能随水深增加而减小。
断面比能随水深的变化规律取决于断面上的佛汝德数。
对于缓流,,则,相当于比能曲线的上支,比能随水深的增加而增加;
对于急流,,则,相当于比能曲线的下支,比能随水深的增加而减小;
对于临界流,,则,相当于比能曲线上下支的分界点,比能为最小值。
二、临界水深
临界水深:相应于断面单位能量最小值的水深,以表示。
,则:
,q=Q/b为单宽流量。
由此得:,或:,则临界流时断面比能
表明:矩形断面明渠临界流的流速水头是临界水深的一半;而临界水深是最小断面比能的2/3。
,临界水深的计算
不能直接求解,要用试算法或图解法求。
试算法:假定h值,直到两边相等。
图解法:曲线(是增函数),查出对应于的临界水深。
不能直接求解,要用试算法或图解法求。试算法同任意形状断面。
图解法:由临界水深公式得:,即:
或:,先计算,求出,查附图III得,从而求出。
由临界水深可判别流态:当时Fr<1,为缓流;当时Fr=1,为临界流;当时Fr>1,为急流。
★6-3 临界底坡、缓坡与陡坡
临界底坡:均匀流的水深恰好与临界水深相等时的底坡,。
水深与底坡的关系:底坡增大水深减小。
临界流条件:;均匀流方程:
得临界底坡公式:
当时,为缓坡;当时,为临界坡;当时,为急坡。
当时,则,水流为缓流;当时,则,水流为临界流;当时,则,水流为急流。注意:仅适用于均匀流。
第17讲(2课时)
★6-4 临界水深的一些实例
缓流到急流,及急流到缓流,必出现临界水深。
渠道底坡由陡坡变为缓坡时;
渠道底坡由缓坡变为陡坡时;
缓坡渠道末端自由跌水时(跌水是水跌的一个特例);及水跃;
当水流自水库进入陡坡