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1、第七章 明渠恒定非均匀流,水力学,产生明渠均匀流的诸多条件中只要有一个条件不满足，明渠上将产生非均匀流动。明渠非均匀流的特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此不平行，。水深沿程变化。,主要研究的任务：就是分析水面线的变化及其计算，以便确定明渠边墙高度，以及回水淹没的范围等。,为了区别，将明渠均匀流的水深称为正常水深，以h0表示。非均匀流的水深以h表示。,主要内容：,明渠水流的三种流态,断面比能与临界水深,临界底坡、缓坡与陡坡,明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式,棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析,明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算,河渠恒定非均匀流的流量与糙率的计算,河道水面曲线的计算,
2、弯道水流,明渠非均匀急变流现象水跌与水跃现象,明渠水流的流态,缓流：水流流速小，水势平稳，遇到干扰，干扰的影响既能向下游传播，又能向上游传播,急流：水流流速大，水势湍急，遇到干扰，干扰的影响只能向下游传播，而不能向上游传播,干扰微波在明渠静水中传播的相对波速：,式中：为断面平均水深,缓流和急流的动力学分析,顺水流方向,逆水流方向,缓流,急流,临界流,缓流时干扰波能向上游传播,临界流时干扰波恰不能向上游传播,急流时干扰波不能向上游传播,定义弗劳德（Froude）数,当 时,水流为缓流，,当 时,水流为急流，,临界流时，所以,当 时,水流为临界流，,弗劳德（Froude）数的物理意义：,表示过水断
3、面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方，Fr愈大，意味着水流的平均动能所占的比例愈大。,表示水流的惯性力与重力两种作用的对比关系。急流时，惯性对水流起主导作用；缓流时，重力对水流起主导作用。,断面比能与临界水深,断面上单位重量液体所具有的总能量：,定义断面比能：,当流量和断面的形状尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数。,断面比能随水深的增加而增加,断面比能随水深的增加而减小,流态分析,缓流Frhk，VVw,急流Fr1，hVw,定义临界水深：相应于断面比能最小值的水深，用hk表示,临界水深方程式,影响临界水深的因素：流量、过水断面形状及尺寸,临界水深的计算,矩形断面明渠时：,单宽流量,
4、梯形断面明渠时：,试算法,图解试算法,图解法：查附图,临界底坡、缓坡与陡坡,影响临界水深的因素：流量、断面形状及尺寸,影响正常水深的因素：流量、断面形状及尺寸、糙率、底坡,当正常水深恰好与临界水深相等时的底坡，称为临界底坡ik,缓坡,临界坡,陡坡,均匀流为缓流,均匀流为临界流,均匀流为急流,明渠水流流态的各种判别方法,明渠非均匀急变流现象水跌与水跃现象,当明渠水流从缓流状态过渡到急流状态时，水面急剧下降的局部水力现象，称为水跌现象。,当明渠水流从急流状态过渡到缓流状态时，水面突然跃起的特殊的局部水力现象，称为水跃现象。,急流,明渠恒定非均匀渐变流的微分方程式,水深h（或水位z）沿流程的变化情况
5、,棱柱体明渠,式中,棱柱体或非棱柱体明渠,棱柱体明渠中恒定非均匀渐变流水面曲线分析,几点说明：,1.可能出现的情况及其水面曲线的形状特征,若，则水深沿流程增大，水面为壅水曲线若，则水深沿流程减小，水面为降水曲线若，则水深沿程趋于不变，水面趋向于均匀流的水面若，则水面趋向于水平面若，则水面与流向趋于重直,2.影响水深沿程变化的因素,底坡i,流态Fr，用hk直观反映,i0时，比较h与h0,3.分区命名,a1,a3,a2,b1,b2,b0,b,c1,c2,c3,c0,c,缓坡a区的水面线分析,该区实际水流的水深,壅水曲线,向上游,以N-N线为渐近线,向下游,以水平线为渐近线,a1,缓坡b区的水面线分
6、析,该区实际水流的水深,降水曲线,向上游,以N-N线为渐近线,向下游,与K-K线有成垂直的趋势,b1,缓坡C区的水面线分析,该区实际水流的水深,壅水曲线,向下游,与K-K线有成垂直的趋势,向上游水深受来流条件所控制。,各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：,a、c区为壅水曲线；b区为降水曲线,当hh0时，以N-N线为渐近线；,当hhk时，与K-K线有成垂直的趋势；,当h时，以水平线为渐近线,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（一）,第一步：定出各段渠道上的K-K线与N-N线（正坡时）；,第二步：分析变坡渠道上、下游的水流流动情况，定出控制水深；,第三步：画出非均匀渐变流的水面线,b1
7、,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（二）,a1,b1,b2,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（三）,b0,b2,b0,b2,变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析（四）,当闸门下游平坡渠段L的大小变化时，水面线会出现哪些形式？,明渠恒定非均匀渐变流水面曲线的计算,逐段试算法,计算公式,计算方法：,首先将明渠划分成若干流段，然后由流段的已知断面求未知断面，逐段推算。,根据不同情况，实际计算可能有两种类型：,（1）已知流段两端的水深，求流段的距离s,（2）已知流段一端的水深和流段长s，求另一端断面水深,适用于棱柱体明渠，先分析出水面曲线的变化趋势，根据已知的一端水深，假设另
8、一端水深，求出其s,可用于棱柱明渠和非棱柱体明渠，计算时可假设另一端断面的未知水深，计算出一个s，与已知的s相等则假设水深即为所求，若不等，需重新假设，直到算得的s与已知的s相等为止。,例1：一长直棱柱体明渠，底宽b为10m，边坡系数m为1.5，糙率n为0.022，底坡i为0.0009，当通过流量Q为45m3/s时，渠道末端水深h为3.4m，要求计算渠道中的水面曲线。,解:(1)由于渠道为顺坡明渠，故应先判别渠道是缓坡还是陡坡，水面线属于哪种类型。,分别计算出：hk=1.2m，h0=1.96m(计算略),iik,s1,(2)依式,=253.2m,s2,例2：某一边墙成直线收缩的矩形渠道，渠长60m，进口宽b1为8m，出口宽b2为4m，渠底为反坡，i为-0.001，粗糙系数n为0.014，当Q为18m3/s时，进口水深h1为2m，要求计算中间断面及出口断面水深。,解：,采用试算法，即假设中间断面水深hd中=1.8m，计算得s=93.4m，与实际长度30m相差很大，重新假设hd中=1.9m，计算得s=29.58m，与实际长度非常接近，即可认为中间断面水深为1.9m。,同样方法计算出出口断面水深为1.5m。,
