《明渠均匀流》PPT课件.ppt

单元四单元四 明渠均匀流明渠均匀流浙江建设职业技术学院浙江建设职业技术学院暖通教研室暖通教研室张玲张玲n n教学基本要求1.1.了解明渠水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，了解明渠水流的分类和特征，了解棱柱体渠道的概念，掌握明槽底坡的概念。掌握明槽底坡的概念。2.2.了解明渠均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明渠均匀了解明渠均匀流的特点和形成条件，熟练掌握明渠均匀流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。流公式，并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。3.3.理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断理解水力最佳断面和允许流速的概念，掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的面的条件和允许流速的确定方法，学会正确选择明渠的糙率糙率n n值。值。4.4.掌握无压圆管均匀流的水力特性，熟练运用图表法和解掌握无压圆管均匀流的水力特性，熟练运用图表法和解析法进行无压圆管均匀流的水力计算。析法进行无压圆管均匀流的水力计算。n n学习重点和难点1.1.明渠均匀流水力计算；明渠均匀流水力计算；2.2.运用解析法和图表法进行无压圆管流的水力计算，运用解析法和图表法进行无压圆管流的水力计算，这部分也是本章的难点；这部分也是本章的难点；第一节第一节 明渠均匀流概述明渠均匀流概述n n明渠水流是一种极为常见的水流现象。如天然河道，人工渠道，排水管道中的水流均属明渠水流。明渠水流最主要的特点是具有敞开的液面，液面上各点的相对压强为零。因此，明渠水流也称为无压流。另外明渠水流是在重力作用下运动的，因此也称其为重力流。一、明渠水流的分类1.棱柱形形渠道和非棱柱形渠道图7-1 渠道断面形状 断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无断面形状、尺寸及底坡沿程不变，同时又无弯曲渠道，称为棱柱体渠道。弯曲渠道，称为棱柱体渠道。常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆形。边坡系数形。边坡系数m m：反映渠道两侧倾斜程度：反映渠道两侧倾斜程度 水力半径：水力半径：A A：断面面积：断面面积 ：湿周：湿周天然河道的横断面常呈不规则形状。天然河道的横断面常呈不规则形状。常见的过水断面的水力要素常见的过水断面的水力要素常见的过水断面的水力要素常见的过水断面的水力要素断面形状断面形状水面宽度水面宽度 B B过水断面积过水断面积 A A湿湿 周周 x x水力半径水力半径 R R*式中 以弧度计 明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符号以符号i i表示，等于渠底线与水平线夹表示，等于渠底线与水平线夹角的正弦，角的正弦，只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。2.2.明渠的底坡明渠的底坡顺坡：i0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。平坡：平坡：平坡：平坡：i i=0=0=0=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平明槽槽底高程沿程不变者称为平明槽槽底高程沿程不变者称为平明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。坡。坡。坡。逆坡：逆坡：逆坡：逆坡：i i0000，明槽槽底沿程增高者称为反坡或明槽槽底沿程增高者称为反坡或明槽槽底沿程增高者称为反坡或明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。逆坡。逆坡。逆坡。图7-3渠道底坡种类 图7-2渠道底坡定义 二、明渠均匀流的基本特征及发生条件二、明渠均匀流的基本特征及发生条件过水断面的水深、断面平均流速及其分布都沿程不变过水断面的水深、断面平均流速及其分布都沿程不变的明渠水流称为明渠均匀流。的明渠水流称为明渠均匀流。1.1.明渠均匀流基本特征明渠均匀流基本特征1 1）均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。）均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。）均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。）均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。2 2）过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不）过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不）过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不）过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。变。变。变。3 3）总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，）总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，）总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，）总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。2.明渠均匀流的发生条件 1 1）水流必须是恒定流，以保证沿程水深、流速不）水流必须是恒定流，以保证沿程水深、流速不发生变化发生变化;2 2）渠道必须是长直棱柱形渠道，否则在断面发生）渠道必须是长直棱柱形渠道，否则在断面发生变化处就会产生非均匀流变化处就会产生非均匀流;3 3）底坡必须沿程不变，且为正坡。因为只有在正）底坡必须沿程不变，且为正坡。因为只有在正坡渠道中，重力在流动方向上的分力才能与阻坡渠道中，重力在流动方向上的分力才能与阻力平衡且沿程不变，而平坡与逆坡渠道中是不力平衡且沿程不变，而平坡与逆坡渠道中是不可能产生均匀流的可能产生均匀流的;4 4）渠道表面粗糙系数）渠道表面粗糙系数n n必须沿程不变。因为必须沿程不变。因为n n值的值的变化将引起阻力的变化，从而引起非均匀流。变化将引起阻力的变化，从而引起非均匀流。三三.明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的计算公式明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式：明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式：由于在明渠均匀流中由于在明渠均匀流中 ，Q Q：流量：流量(m(m3 3/s)/s)；v v：断面平均流速：断面平均流速(m/s)(m/s)；i i：明渠的底坡；：明渠的底坡；R R：水力半径：水力半径(m)(m)；C C：谢才系数：谢才系数();();K K：明渠的流量模数：明渠的流量模数（mm3 3/s/s），它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度），它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。对过水能力的影响。表表7-1 各种人工管渠的各种人工管渠的n值值 管渠管渠类别类别 n n 管渠管渠类别类别 n n石棉水泥管、石棉水泥管、钢钢管管0.0120.012浆浆砌栓渠道砌栓渠道0.0150.015木槽木槽1.1.012-012-0.0140.014浆浆砌砌块块石渠道石渠道0.0170.017陶土管、陶土管、铸铁铸铁管管0.0130.013干砌干砌块块石渠道石渠道0.020-0.020-0.0250.025混凝土管、混凝土管、钢钢筋混凝筋混凝土管、水泥沙土管、水泥沙浆浆抹面抹面渠道渠道0.013-0.013-0.0140.014土明渠（包括土明渠（包括带带草皮）草皮）0.025-0.025-0.0300.030第二节第二节 明渠均匀流的水力计算问题明渠均匀流的水力计算问题一、水力最佳断面一、水力最佳断面 当当渠渠道道的的底底坡坡、粗粗糙糙系系数数n n及及过过水水断断面面积积一一定定时时，通通过过流流量量最最大大；或或当当底底坡坡、粗粗糙糙系系数数及及流流量量一一定定时时，所所需需的的过过水水断断面面积积最最小小时时的断面。的断面。水力最优断面就是湿周最小的断面形状。水力最优断面就是湿周最小的断面形状。它的优点是：流动阻力最小，过流能力它的优点是：流动阻力最小，过流能力最大，管渠的护壁材料最省，管渠的渗最大，管渠的护壁材料最省，管渠的渗水损失量也最小。水损失量也最小。不淤允许最小流速不淤允许最小流速 不冲允许最大流速不冲允许最大流速二二.允许流速允许流速 允许流速是为了保持渠道安全稳定运行允许流速是为了保持渠道安全稳定运行在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速在流速上的限制，包括不冲流速、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。表表7-2 明渠最大明渠最大设计设计流速流速 明渠明渠类别类别 明渠明渠类别类别粗砂或粗砂或贫亚贫亚粘粘土土 0.8 0.8草皮草皮护护面面 1.6 1.6亚亚粘土粘土 1.0 1.0干砌干砌块块石石 2.0 2.0粘土粘土 1.2 1.2浆浆砌砌块块石或石或浆浆砌砌砖砖 3.0 3.0石灰岩或中砂石灰岩或中砂岩岩 4.0 4.0混凝土混凝土 4.0 4.0三、明渠均匀流的水力计算问题三、明渠均匀流的水力计算问题1 1、确定管渠的输水能力、确定管渠的输水能力 已知管渠的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡，已知管渠的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡，求该渠道的输水能力，即已知求该渠道的输水能力，即已知K K、i i，求，求Q Q2 2、确定渠道底坡、确定渠道底坡 已知渠道的断面尺寸、粗糙系数、流量或流速，已知渠道的断面尺寸、粗糙系数、流量或流速，求渠道的底坡，即已知求渠道的底坡，即已知K K、Q Q，求管渠底坡，求管渠底坡i i。3 3、定管渠的断面尺寸、定管渠的断面尺寸 已知管渠的输水能力已知管渠的输水能力Q Q、渠道的底坡、粗糙系数、渠道的底坡、粗糙系数n n，以及采用的断面形状（梯形、矩形、圆形等），以及采用的断面形状（梯形、矩形、圆形等），要求确定断面的尺寸，这是新管渠的断面设计问要求确定断面的尺寸，这是新管渠的断面设计问题。题。第三节第三节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算无无压压圆圆管管均均匀匀流流是是明明渠渠均均匀匀流流的的一一种种。所所谓谓无无压压圆圆管管是是指指不不满满流流的的圆圆管管，城城市市排排水水中中的的污水与雨水管道均属于无压圆管均匀流。污水与雨水管道均属于无压圆管均匀流。第三节第三节 无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算一、无压圆管均匀流的水力特性一、无压圆管均匀流的水力特性 1 1、无压圆管均匀流的水力要素、无压圆管均匀流的水力要素n充满度充满度：n过水断面过水断面A：n水力半径水力半径R：图7-4 无压圆管过水断面充满度充满度充满度充满度=h/d=h/d过水断面过水断面过水断面过水断面A A（mm2 2）水力半径水力半径水力半径水力半径R R（mm）0.050.050.01470.0147d d2 20.0325d0.0325d0.100.100.0408d0.0408d2 20.0635d0.0635d0.150.150.0739d0.0739d2 20.0928d0.0928d0.200.200.0118d0.0118d2 20.1206d0.1206d0.250.250.1535d0.1535d2 20.1446d0.1446d0.300.300.1981d0.1981d2 20.1709d0.1709d0.350.350.2449d0.2449d2 20.1935d0.1935d0.400.400.2933d0.2933d2 20.2142d0.2142d0.450.450.3427d0.3427d2 20.2331d0.2331d0.500.500.3926d0.3926d2 20.2500d0.2500d充满度充满度充满度充满度=h/d=h/d过水断面过水断面过水断面过水断面A A（mm2 2）水力半径水力半径水力半径水力半径R R（mm）0.550.550.4425d0.4425d2 20.2649d0.2649d0.600.600.4919d0.4919d2 20.2776d0.2776d0.650.650.5403d0.5403d2 20.2882d0.2882d0.700.700.5871d0.5871d2 20.2962d0.2962d0.750.750.6318d0.6318d2 20.3017d0.3017d0.800.800.6735d0.6735d2 20.3042d0.3042d0.850.850.7114d0.7114d2 20.3033d0.3033d0.900.900.7444d0.7444d2 20.2980d0.2980d0.950.950.7706d0.7706d2 20.2865d0.2865d1.001.000.7853d0.7853d2 20.2500d0.2500d表表7-3 不同充满度时无压圆管形管道的水力要素不同充满度时无压圆管形管道的水力要素2.2.无压圆管流的无因次流量与流速无压圆管流的无因次流量与流速图7-5 和 曲线 称为无压圆管均匀流的无因次流速，称为无压圆管均匀流的无因次流速，为无因次流量。式中不为无因次流量。式中不代下标和代有下标代下标和代有下标“0”的各量分别表示圆管内不满流的各量分别表示圆管内不满流（1）和恰好满流（和恰好满流（=1）时所对应的各流动参量。）时所对应的各流动参量。当当=0.95时时，此时通过的流量最大，为恰好满流时流量的倍此时通过的流量最大，为恰好满流时流量的倍 当当=0.81时，时，此时管中的流速达到最大，为恰好满流时的倍。此时管中的流速达到最大，为恰好满流时的倍。最大流量：最大流量：最大流速：最大流速：原因：原因：随着充满度随着充满度的增大，圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同。的增大，圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同。水力半径水力半径R在时达到最大值，根据谢才公式可以知道其流速也达到最大在时达到最大值，根据谢才公式可以知道其流速也达到最大值；其后，虽然水力半径值；其后，虽然水力半径R有所减小，但是过水断面面积有所减小，但是过水断面面积A继续增大，所继续增大，所以流量继续增大；当以流量继续增大；当达到之后，湿周达到之后，湿周（阻力）增加的速率超过了（阻力）增加的速率超过了A的的增加速率，从而使流量有所降低。增加速率，从而使流量有所降低。二二.无压圆管均匀流的水力计算无压圆管均匀流的水力计算1 1、计算类型、计算类型u校核已建成管道的过水能力（已知校核已建成管道的过水能力（已知d d，n n，i i，求，求Q Q）u设计管道坡度（已知设计管道坡度（已知Q Q ，d d ，n n，求，求i i）u设计管径（已知设计管径（已知Q Q ，n n，i i，求，求d d）2 2、相关规定、相关规定管径或暗渠高H（mm）最大设计充满度（=h/d或或h/H）2003000.553504500.65管径或暗渠高H（mm）最大设计充满度（=h/d或或h/H）5009000.710000.753 3、无压圆管均匀流的水力计算方法、无压圆管均匀流的水力计算方法 1）解析法。即由明渠均匀流基本公式 直接求解。2）图表法。为方便计算，在实际工程中常依据明渠均匀流基本公式中 和 的函数关系制成计算图或计算表，列入相关专业的水力计算手册中，以备查用。图7-6非满流钢筋混凝土圆管计算图第八章第八章 绕流运动概绕流运动概述述第一节 附面层的概念 一、附面层现象 空气流过机翼形成的附面层现象 二、附面层的基本特征图8-2 平板上的混合附面层 n n三、附面层的分离图8-3 粘性流体流过曲面物体加速降压区加速降压区减速升压区减速升压区不会发生边界层分离的区域：不会发生边界层分离的区域：可能发生边界层分离的区域：可能发生边界层分离的区域：四、曲面四、曲面四、曲面四、曲面边界层的分离现象边界层的分离现象卡门涡街卡门涡街 绕过圆柱体的流动绕过圆柱体的流动绕过圆柱体的流动绕过圆柱体的流动 卡门涡街卡门涡街卡门涡街卡门涡街脱落频率：脱落频率：斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数第二节第二节 绕流阻力与升力绕流阻力与升力 一、绕流阻力一、绕流阻力一、绕流阻力一、绕流阻力 与物体运动的方向相反，起着阻碍物体运动作用的作与物体运动的方向相反，起着阻碍物体运动作用的作用力，称为阻力。用力，称为阻力。1.1.摩擦阻力摩擦阻力 流体绕过物体流动所引起的切向应力造成的阻力。流体绕过物体流动所引起的切向应力造成的阻力。2.2.压差阻力压差阻力 流体绕过物体流动所引起的压强差造成的阻力。流体绕过物体流动所引起的压强差造成的阻力。由粘性间接作用的结果。由粘性间接作用的结果。与物体的形状有很大关系。与物体的形状有很大关系。第二节第二节 绕流阻力与升力绕流阻力与升力 n n二、绕流升力n n当流体绕流的物体为非对称形，或来流方向与物体的当流体绕流的物体为非对称形，或来流方向与物体的对称轴不平行时（如图所示），都会形成物体上部流对称轴不平行时（如图所示），都会形成物体上部流速大于下部流速的流动，使物体的上下表面受到不同速大于下部流速的流动，使物体的上下表面受到不同的压强作用，从而在垂直于来流速度的方向上产生向的压强作用，从而在垂直于来流速度的方向上产生向上的作用力，这就是绕流升力。上的作用力，这就是绕流升力。三、悬浮速度 在工程中，通常要碰到煤粉和灰尘微粒在空气、烟气或水流中运动的问题。这些固体微粒在流体的绕流阻力、浮力和自身重力的作用下会处于不同的运动状态。上升流体的绕流阻力和浮力会使微粒向上运动，自身重力会使微粒向下运动，当阻力、浮力与重力达到平衡时，微粒将处于平衡状态，即悬浮在空间。使微粒处于悬浮状态的气流流速称为悬浮速度。