第2章水力学基本知识.ppt

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1、第第2章章 水力学基本知识水力学基本知识2-1明渠均匀流明渠均匀流 明渠均匀流是流体具有自由表面的流动，明渠均匀流是流体具有自由表面的流动，所以这种流动的相对压强为零，是无压流所以这种流动的相对压强为零，是无压流动。常见的明渠流现象，如天然河道、人动。常见的明渠流现象，如天然河道、人工渠道的水流、屋面天沟的排水、城市排工渠道的水流、屋面天沟的排水、城市排水管道中的水流等等。水管道中的水流等等。渠道底坡或比降渠道底坡或比降 明渠渠底沿程单位长度的降低值称为底明渠渠底沿程单位长度的降低值称为底坡坡i,一般底坡都很小一般底坡都很小底坡可分为底坡可分为:顺坡顺坡(i0),平坡平坡(i=0),逆坡逆坡(

2、i0)常见的断面形状常见的断面形状过流断面的几何要素过流断面的几何要素底宽底宽 b,水深水深 h,边坡系数边坡系数 m(表示边坡倾斜程表示边坡倾斜程度的系数度的系数)水面宽水面宽过流断面面积过流断面面积 湿周湿周 水力半径水力半径 明渠均匀流的形成条件明渠均匀流的形成条件 1.渠底必须是顺坡，平坡和逆坡渠道中不可渠底必须是顺坡，平坡和逆坡渠道中不可能产生均匀流。能产生均匀流。2.渠道必须是棱柱形长直渠道；因为非棱渠道必须是棱柱形长直渠道；因为非棱柱形渠道会导致非均匀流。柱形渠道会导致非均匀流。3.底坡及粗糙系数沿程不变，且渠中无弯底坡及粗糙系数沿程不变，且渠中无弯道、阀门、滚水坝等障碍物。道、

3、阀门、滚水坝等障碍物。4.水流为恒定流，流量沿程不变。水流为恒定流，流量沿程不变。明渠均匀流明渠均匀流计算式计算式 在明渠均匀流计算中，主要应用谢才公式、在明渠均匀流计算中，主要应用谢才公式、曼宁公式和连续性方程。曼宁公式和连续性方程。式中，式中，K流量模数，流量模数，C谢才系数，谢才系数，n为粗糙系为粗糙系数，它的大小综合反映了河、渠道面对水流阻力数，它的大小综合反映了河、渠道面对水流阻力的大小，是明渠水力计算的主要因素之一。的大小，是明渠水力计算的主要因素之一。无压圆涵均匀流的水力计算无压圆涵均匀流的水力计算 无压圆涵均匀流的特征无压圆涵均匀流的特征 所谓无压圆涵，是指不满流的圆形断面管道

4、。在环境所谓无压圆涵，是指不满流的圆形断面管道。在环境工程和给排水工程中不满流的圆形管道，诸如城市排水管工程和给排水工程中不满流的圆形管道，诸如城市排水管道的污水管道、雨水管道及无压涵管中的流动，因为这些道的污水管道、雨水管道及无压涵管中的流动，因为这些管道的排水流量时有变化，为避免在流量增大时，管道承管道的排水流量时有变化，为避免在流量增大时，管道承压，污水涌出排污口，污染环境，所以排水管道通常为非压，污水涌出排污口，污染环境，所以排水管道通常为非满流管流，此种管道中的流动具有自由液面，无压圆管均满流管流，此种管道中的流动具有自由液面，无压圆管均匀流是一种特定断面形式的明渠流动匀流是一种特定

5、断面形式的明渠流动,它的形成条件、水它的形成条件、水力特征和明渠一样。所以常用明渠均匀流的基本公式进行力特征和明渠一样。所以常用明渠均匀流的基本公式进行计算。计算。过流断面的几何要素过流断面的几何要素 d-管径管径 h-水深水深 -充满度充满度,=h/d -充满角充满角,水深水深h所对应的圆心角。所对应的圆心角。由几何关系可得水力要素导出量：由几何关系可得水力要素导出量：过水面积过水面积 湿周湿周 水力半径水力半径流速流速 流量流量 输水性能最优充满度输水性能最优充满度 从上式可知从上式可知,在水深很小时在水深很小时,水深增加水深增加,水面增水面增宽宽,过流断面面积增加很快过流断面面积增加很快

6、,接近管轴处增加最快，接近管轴处增加最快，水深超过半管后，水深增加，水面宽减小，过流水深超过半管后，水深增加，水面宽减小，过流断面面积增加减慢，在满流前增加最慢。湿周随断面面积增加减慢，在满流前增加最慢。湿周随水深的增加与过流断面面积不同，接近管轴处增水深的增加与过流断面面积不同，接近管轴处增加最慢，在满流前增加最快，由此可知，在满流加最慢，在满流前增加最快，由此可知，在满流前，输水能力达到最大值，相应的充满度为最优前，输水能力达到最大值，相应的充满度为最优充满度。充满度。设以设以 分别表示满流时的流量、流速、谢才分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径，不同充满度的相应值用系数、水力半

7、径，不同充满度的相应值用 表示。表示。则令则令无量纲参数的水力计算图无量纲参数的水力计算图 对应不同的对应不同的值值,有不同的有不同的A,B值值,把它们的关系绘制出关系曲线，把它们的关系绘制出关系曲线，如下图所示。如下图所示。从上图可见：当从上图可见：当 时，时，则此时通过的流量最，则此时通过的流量最大，为恰好满管流时流量的大，为恰好满管流时流量的1.087倍。当倍。当 时，时，则此时通过的流速最大，为恰好满管流时流速的则此时通过的流速最大，为恰好满管流时流速的1.16倍。倍。无压圆管的水力计算可分为三类问题无压圆管的水力计算可分为三类问题:1.验算输水能力验算输水能力 2.确定管道底坡确定管

8、道底坡 3.计算管道直径计算管道直径 在进行无压管道的水力计算时，还要遵从一些有关规定：在进行无压管道的水力计算时，还要遵从一些有关规定：1.污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按下表采用。污水管道应按不满流计算，其最大设计充满度按下表采用。2.雨水管道和合流应按满流管计算。雨水管道和合流应按满流管计算。3.排水管的最小设计流速：对污水管道排水管的最小设计流速：对污水管道(在设计充满度时在设计充满度时)，当管径当管径d500mm时，为时，为0.7m/s；当管径；当管径d500mm时，为时，为0.8m/s。补例补例1 某圆形污水管，管径某圆形污水管，管径d=600mm，管壁，管壁粗糙系数粗糙

9、系数n=0.014管道底坡管道底坡i=0.0024，求最，求最大设计充满度时的流速和流量。大设计充满度时的流速和流量。补例补例2 圆形管道的管径圆形管道的管径d=1m，底坡，底坡i=0.0036，粗糙系数粗糙系数n=0.013，要求水深，要求水深h=0.7m时的时的流量和流速。流量和流速。复式断面渠道的水力计算复式断面渠道的水力计算 由于地形、地质条件限制和施工的要求，渠道断面形由于地形、地质条件限制和施工的要求，渠道断面形式比较复杂，需要将断面设计成两个或两个以上单式断面式比较复杂，需要将断面设计成两个或两个以上单式断面组成的复式断面，如左图所示为两个梯形断面组合。而天组成的复式断面，如左图

10、所示为两个梯形断面组合。而天然河床断面往往由于不规则，也可简化成复式断面，如右然河床断面往往由于不规则，也可简化成复式断面，如右图所示为不规则曲线的河床，可近似用两个矩形来表示。图所示为不规则曲线的河床，可近似用两个矩形来表示。在进行复式断面明渠均匀流的水力计算时，常将复式在进行复式断面明渠均匀流的水力计算时，常将复式断面先分割成若干个单式断面，然后分别对这些单式断面断面先分割成若干个单式断面，然后分别对这些单式断面作均匀流计算，然后再进行叠加，得到整个复式断面流量。作均匀流计算，然后再进行叠加，得到整个复式断面流量。如上右图的复式断面，其总流量的计算为：如上右图的复式断面，其总流量的计算为：

11、式中：式中：在计算时，应注意不要把分割线计入湿周内，各部分在计算时，应注意不要把分割线计入湿周内，各部分n值不同，应分别用不同的值不同，应分别用不同的n值进行计算。值进行计算。补例补例3 求如图所示复式断面渠道的流量。已求如图所示复式断面渠道的流量。已知渠道底坡知渠道底坡i=0.00064，n1=0.025，n2=n3=0.040，m1=1.0，m2=m3=2.0，其它尺寸如图示。其它尺寸如图示。2-2明渠非均匀流明渠非均匀流 人工渠道和天然河道中的均匀流动，如果某种人工渠道和天然河道中的均匀流动，如果某种因素的变化，如渠道底坡的变化，过水断面的几因素的变化，如渠道底坡的变化，过水断面的几何型

12、状或尺寸的改变，壁面粗糙程度的变化，或何型状或尺寸的改变，壁面粗糙程度的变化，或在明渠中修建人工构筑物（闸门、桥梁、坝、堰、在明渠中修建人工构筑物（闸门、桥梁、坝、堰、涵洞等），都将变成非均匀流动。涵洞等），都将变成非均匀流动。明渠非均匀流动的特点明渠非均匀流动的特点 1.各流线已不再是相互平行的直线；各流线已不再是相互平行的直线；2.同一条流线上各点的流速大小和方向不同；同一条流线上各点的流速大小和方向不同；3.明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行。如下图所示如下图所示。非均匀渐变流和急变流非均匀渐变流和急变流 在明渠非均匀流中，若流线是近似

13、于相互平在明渠非均匀流中，若流线是近似于相互平行的直线，或流线之间的夹角很小，流线的曲率行的直线，或流线之间的夹角很小，流线的曲率半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。反半径很大，这种水流称为明渠非均匀渐变流。反之，则为明渠非均匀急变流。之，则为明渠非均匀急变流。渐变流水深的变化局限在一个流区内，水流渐变流水深的变化局限在一个流区内，水流属同一流态，沿流水深和流速发生微小变化，水属同一流态，沿流水深和流速发生微小变化，水面曲线曲度甚小。急变流的水深和流速都发生急面曲线曲度甚小。急变流的水深和流速都发生急剧变化，水面曲线弯曲程度很大，且超出同一流剧变化，水面曲线弯曲程度很大，且超出同一流区。区

14、。急流与缓流急流与缓流 明渠水流有两种不同的流动状态：缓流和急流。明渠水流有两种不同的流动状态：缓流和急流。缓流常见于底坡平缓的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中，缓流缓流常见于底坡平缓的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中，缓流的水流徐缓，遇到障碍物阻水，则障碍物前水面发生壅高，逆流动方的水流徐缓，遇到障碍物阻水，则障碍物前水面发生壅高，逆流动方向向上游传播，如左图所示。向向上游传播，如左图所示。急流多见于陡槽、瀑布、险滩中，急流的水流湍急，遇到障碍物急流多见于陡槽、瀑布、险滩中，急流的水流湍急，遇到障碍物阻水，则障碍物上的水面隆起，上游水面不发生壅高，即障碍物对上阻水，则障碍物上的水面隆起，上游水面

15、不发生壅高，即障碍物对上游无干扰影响作用，如右图所示。游无干扰影响作用，如右图所示。波速判别波速判别缓流缓流急流急流临界流临界流波速：波速：（矩形）（矩形）弗劳德数判别弗劳德数判别缓流缓流急流急流临界流临界流弗劳德数弗劳德数 断面比能断面比能断面比能断面比能 缓流缓流,急流急流,临界流临界流临界水深临界水深临界水深临界水深 缓流缓流 急流急流 临界流临界流临界底坡临界底坡临界底坡临界底坡缓坡缓坡急坡急坡临界底坡临界底坡例例2-3 底宽底宽b=5m的梯形渠道的梯形渠道,通过流量通过流量Q=40m/s.当此当此渠道作均匀流时渠道作均匀流时,正常水深正常水深h0=2m,粗糙系数粗糙系数n=0.025

16、,试分别用试分别用hk和和ik判判别该渠道属何种底坡别该渠道属何种底坡.跌水跌水 处于缓流状态的水流，由于渠底突然变陡或渠道断面突然变宽，处于缓流状态的水流，由于渠底突然变陡或渠道断面突然变宽，导致水面急剧下降，水深减少，水流从缓流变成急流，称为跌水。图导致水面急剧下降，水深减少，水流从缓流变成急流，称为跌水。图下所示。下所示。该渠道由两段不同的底坡该渠道由两段不同的底坡i1和和i2组成，上游段组成，上游段i1ik，水流作均匀流时为急流。在渠道底坡突然改，水流作均匀流时为急流。在渠道底坡突然改变处，水流的均匀流条件被破坏，水流由缓流变成急流。坡度突变处变处，水流的均匀流条件被破坏，水流由缓流变

17、成急流。坡度突变处断面的水深断面的水深h=hk，一般就取该断面的水深为临界水深，一般就取该断面的水深为临界水深hk。水跃水跃 水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时水面骤然跃起的局水跃是明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时水面骤然跃起的局部水力现象。如下图所示，上游为急流状态部水力现象。如下图所示，上游为急流状态(hhk)，从急流到缓流的过渡过程中，常伴有一个作剧烈回旋运动的，从急流到缓流的过渡过程中，常伴有一个作剧烈回旋运动的表面旋滚。旋滚中饱掺着大量的气泡，旋滚的下部为急剧扩散的主流，表面旋滚。旋滚中饱掺着大量的气泡，旋滚的下部为急剧扩散的主流，由于水滚大量掺气、旋转、内部极强的紊动掺混作

18、用，消耗了水流中由于水滚大量掺气、旋转、内部极强的紊动掺混作用，消耗了水流中大量的能量。有时可达水跃前断面能量的大量的能量。有时可达水跃前断面能量的60%70%。因此在实际工。因此在实际工程中，水跃常作为重要的消能手段。程中，水跃常作为重要的消能手段。水跃区的几何要素水跃区的几何要素 跃前水深跃前水深h跃前断面（表面水滚起点所跃前断面（表面水滚起点所在过水断面）的水深；在过水断面）的水深；跃后水深跃后水深h跃后断面（表面水滚终点所跃后断面（表面水滚终点所在过水断面）的水深；在过水断面）的水深；水跃高度水跃高度 a=h-h 水跃长度水跃长度lj跃前断面与跃后断面之间的距跃前断面与跃后断面之间的距

19、离。离。水跃两种形式水跃两种形式 按照水跃前后水深的比值不同，把水跃分成按照水跃前后水深的比值不同，把水跃分成两种形式：两种形式：（1）当跃后水深）当跃后水深h和跃前水深和跃前水深h之比之比2时，时，水跃表面产生旋滚，空气大量掺入，称为完整水水跃表面产生旋滚，空气大量掺入，称为完整水跃；跃；（2）当）当h/h2时时,跃前水深接近于临界水深，跃前水深接近于临界水深，水跃跃起的高度水跃跃起的高度(h-h)不大，水跃呈现一系列起不大，水跃呈现一系列起伏的波浪，称为波状水跃。伏的波浪，称为波状水跃。棱柱体平坡渠道上的完整水跃基本方程棱柱体平坡渠道上的完整水跃基本方程 取一段平底的棱柱形断面的渠道，引入

20、以下假设：取一段平底的棱柱形断面的渠道，引入以下假设：1.渠道边壁的摩擦阻力忽略不计；渠道边壁的摩擦阻力忽略不计；2.跃前、跃后的断面为渐变流断面，断面上的动水压强按静水压强跃前、跃后的断面为渐变流断面，断面上的动水压强按静水压强分布规律计算；分布规律计算；3.跃前、跃后断面的动量修正系数相等，取由跃前、跃后断面跃前、跃后断面的动量修正系数相等，取由跃前、跃后断面1-1，2-2之间的水体为控制面，可得水跃方程：之间的水体为控制面，可得水跃方程：共轭水深的计算共轭水深的计算对于矩形断面的棱柱形渠道，有对于矩形断面的棱柱形渠道，有 水跃的长度计算水跃的长度计算 水跃长度是泄水建筑物消能设计的主要依

21、据之一水跃长度是泄水建筑物消能设计的主要依据之一,但由于水跃运动的复杂性，所以目前水跃长度仍只是根但由于水跃运动的复杂性，所以目前水跃长度仍只是根据经验公式计算。据经验公式计算。1.以跃后水深表示以跃后水深表示 适用范围为适用范围为 2.以跃高表示以跃高表示 3.以佛罗德数表示以佛罗德数表示 水跃长度水跃长度 也可理解为水跃段长度也可理解为水跃段长度 和跃后长度和跃后长度 之和。之和。即即水跃的能量损失水跃的能量损失 由水跃造成的绝大部分的能量损失集中于水由水跃造成的绝大部分的能量损失集中于水跃区域，少部分能量损失发生在跃后段。因此，跃区域，少部分能量损失发生在跃后段。因此，通常认为水跃的能量损失可按完全发生在水跃段通常认为水跃的能量损失可按完全发生在水跃段来计算，即来计算，即 矩形渠道可采用下式进行计算：矩形渠道可采用下式进行计算：补例补例1 有一水跃产生于一棱柱体矩形水平渠有一水跃产生于一棱柱体矩形水平渠道中道中,已知已知q=5m/(sm),b=6m,h=0.5m,求求跃后水深跃后水深h,跃长跃长l和水跃的能量损失和水跃的能量损失hw。