水力学(第六章明渠均匀流)PPT课件
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《明渠恒定均匀流》PPT课件
2.00 1.00 6.00 16.00 11.66 1.37 0.025 42.17 0.00125 27.95
2.50 1.00 6.00 21.25 13.07 1.63 0.025 43.37 0.00125 41.55
3.00 1.00 6.00 27.00 14.49 1.86 0.025 44.37 0.00125 57.83
3.00 1.00 6.00 27.00 14.49 1.86 0.025 44.37 0.00125 57.83
3.33 1.00 6.00 31.04 15.41 2.01 0.025 44.95 0.00125 70.02
4.00 1.00 6.00 40.00 17.31 2.31 0.025 45.99 0.00125 98.86
沿程不变
底坡、水面坡度、总水头线互相平行
4
h J Jz i
J Jz v
i θ
vh
底坡、水面坡度、总水头线互相平行
5
明渠恒定均匀流
1 明渠均匀流特性 2 明渠均匀流的产生条件 3 明渠均匀流的水力计算 4 明渠均匀流的其他问题
6
充分必要条件
力学条件
渠壁摩擦阻力与水重力在流动方向的 分力始终平衡（大小相等，方向相反）
谢才系数C 反映断面形状、尺寸和边壁粗糙 程度的一个综合系数。常用曼宁 公式计算
R：水力半径，以米（m）计 n： 糙率
20
注意
n
选择时应谨慎。其选得偏小，渠
道断面尺寸偏小，对实际输水能力影
响较大。
21
n
某渠设计时选 n = 0.015，竣工后实测0.016。设计 水深时，渠道过不了设计流量（比设计流量小）。 通过一定流量时，实际水深比设计计算的水深大， 可能造成水漫渠顶事故。
工程流体力学第6章明渠均匀流与渠流.
以梯形断面为例，来说明经常遇到的几种问题的 计算方法。
可以看出，各水力要素存在以下的函数关系：
Q CA Ri f (b, h, m, n, i)
上式中包含Q、b、h、m、n、i六个变量。一般情
况下，边坡系数m及糙率n是根据渠壁材料确定。
§6.3 明渠的水力最佳断面
因此，梯形断面渠道均匀流的水力计算，实际上是 根据渠道所担负的生产任务、施工条件、地形及地质状 况等，预先选定Q、b、h、i四个变量中的3个，然后，应 用基本公式求另一个变量。 工程实践中所提出的明渠均匀流的水力计算，主要有 以下类型：
u=v时，
y h , h 为平均水深。
__
__ __
2.5 5.75lg
__
h h 0, 0.367 h h
__
h 0.367h
__
或者h - h 0.633h
常用液面以下0.6h处 流速作为断面平均流速
§6.3 明渠的水力最佳断面 §6.2 明渠定常均匀流的水力计算
明渠流的分类及基本概念 定常均匀流水力计算 蔡西公式
§6.2 明渠定常均匀流的水力计算
因为均匀流中过流断面的压强符合静水压强分布规律， 水深又不变，所以P1和P2大小相等。上式可写成
G sin T
这表明，明渠均匀流是重力沿水流方向的分力和阻力相 平衡的流动。
0
G sin Ali Ri xl xl
（6.2）
明渠多处于阻力平方区的紊流状态度，蔡西根据实验认为
§6.3 明渠的水力最佳断面
由
A b mh h
，代入 b 2h 1 m2 ，
A mh 2h 1 m 2 f h h
可得
可以看出，各水力要素存在以下的函数关系：
Q CA Ri f (b, h, m, n, i)
上式中包含Q、b、h、m、n、i六个变量。一般情
况下，边坡系数m及糙率n是根据渠壁材料确定。
§6.3 明渠的水力最佳断面
因此，梯形断面渠道均匀流的水力计算，实际上是 根据渠道所担负的生产任务、施工条件、地形及地质状 况等，预先选定Q、b、h、i四个变量中的3个，然后，应 用基本公式求另一个变量。 工程实践中所提出的明渠均匀流的水力计算，主要有 以下类型：
u=v时，
y h , h 为平均水深。
__
__ __
2.5 5.75lg
__
h h 0, 0.367 h h
__
h 0.367h
__
或者h - h 0.633h
常用液面以下0.6h处 流速作为断面平均流速
§6.3 明渠的水力最佳断面 §6.2 明渠定常均匀流的水力计算
明渠流的分类及基本概念 定常均匀流水力计算 蔡西公式
§6.2 明渠定常均匀流的水力计算
因为均匀流中过流断面的压强符合静水压强分布规律， 水深又不变，所以P1和P2大小相等。上式可写成
G sin T
这表明，明渠均匀流是重力沿水流方向的分力和阻力相 平衡的流动。
0
G sin Ali Ri xl xl
（6.2）
明渠多处于阻力平方区的紊流状态度，蔡西根据实验认为
§6.3 明渠的水力最佳断面
由
A b mh h
，代入 b 2h 1 m2 ，
A mh 2h 1 m 2 f h h
可得
水力学明渠恒定均匀流
2.允许流速
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v’、不淤流
速v’’和其它运行管理要求的流速限制。
—不冲允许流速
—不淤允许流速
例5-1 某梯形土渠设计流量 Q 为2m3/s，渠道 为重壤土，粗糙系数n为0.025，边坡系数m为 1.25，底坡i为0.0002。试设计一水力最佳断面， 并校核渠中流速（已知不淤流速 为0 . 4m/s）
2.已知渠道的设计流量Q、底坡i、底b、边 坡系数m和粗糙系数n，求水深h。
3.已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边 坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。
4.已知渠道的设计流量Q，水深h、底宽b、粗 糙系数n及边坡系数m，求底坡i。
5.已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边 坡系数m，要求设计渠道断面尺寸。
已滋生杂草的渠道，查P348表n=0.03
QAC Ri AR23i12 102.742.3523 1 0.5
n
0.03
6500
75.08m3 /s
Q75.0m3 /s 0.73m/s
A 102.74m2
在保证电站引用流量条件下，渠道能供给 工业用水量为
Q (7 5 .0 8 6 7 )m 3 /s 8 .0 8 m 3 /s
长直顺坡棱柱体渠道渠道趋向产生均匀流：
G分>Ff阻→存在流向的加速度a，v↑，A↓→G分↓，→G分=Ff阻； G分<Ff阻→存在流向的负加速度a，v↓，A↑→G分↑ →G分=Ff阻。
5.3 明渠均匀流的计算公式
Q vA v C RJ C Ri Q AC Ri
C
1
1
R6
n
QK i
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v’、不淤流
速v’’和其它运行管理要求的流速限制。
—不冲允许流速
—不淤允许流速
例5-1 某梯形土渠设计流量 Q 为2m3/s，渠道 为重壤土，粗糙系数n为0.025，边坡系数m为 1.25，底坡i为0.0002。试设计一水力最佳断面， 并校核渠中流速（已知不淤流速 为0 . 4m/s）
2.已知渠道的设计流量Q、底坡i、底b、边 坡系数m和粗糙系数n，求水深h。
3.已知渠道的设计流量Q、底坡i、水深h、边 坡系数m及粗糙系数n，求渠道底宽b。
4.已知渠道的设计流量Q，水深h、底宽b、粗 糙系数n及边坡系数m，求底坡i。
5.已知流量Q、流速v、底坡i、粗糙系数n和边 坡系数m，要求设计渠道断面尺寸。
已滋生杂草的渠道，查P348表n=0.03
QAC Ri AR23i12 102.742.3523 1 0.5
n
0.03
6500
75.08m3 /s
Q75.0m3 /s 0.73m/s
A 102.74m2
在保证电站引用流量条件下，渠道能供给 工业用水量为
Q (7 5 .0 8 6 7 )m 3 /s 8 .0 8 m 3 /s
长直顺坡棱柱体渠道渠道趋向产生均匀流：
G分>Ff阻→存在流向的加速度a，v↑，A↓→G分↓，→G分=Ff阻； G分<Ff阻→存在流向的负加速度a，v↓，A↑→G分↑ →G分=Ff阻。
5.3 明渠均匀流的计算公式
Q vA v C RJ C Ri Q AC Ri
C
1
1
R6
n
QK i
水力学课件 第六章_明渠恒定流
均匀流动其压强符合静水压强分布规律，水深沿程不变，故 水的总压力P1和P2大小相等，方向相反，互相抵消，得：
Gsinθ=F
2020/3/13
Gsinθ=F
上式表明： 1）明渠均匀流中 阻碍水流运动的摩擦阻力 F 与 使水流运动的 重力在水流方向上的分力(即推力)Gsinθ 相平衡。 2）说明了 反映水流推力的底坡sinθ= i 和 反映对水流的摩擦 阻力的粗糙系数n 必须沿程不变 才能维持明渠均匀流。
对于小型渠道，一般按水力最优设；
h(b h)h2( 1m2m)
对于大型土渠的计算，则要考虑经济条件，常作成宽浅断面。 例如取β=3—4 。
按水力最优断面设计的断面过于深窄。 例：m=1.5, b=10m,
则 βh=b/h=0.6055, h= 16.51m
对通航渠道则按特殊要求设计。
2020/3/13
当明渠断面形状、尺寸和流量一定 时，断面单位能量e为水深h的函数，它 在沿程的变化随水深h的变化而变。
（1）当h→0时，ω→0， Q2/2g2 ，则此时e→∞，
横坐标轴是函数曲线e=f(h)的渐近线，
（2）当h→∞时，ω→∞,则
，此时e=h→∞，
Q2/2g2 0
另一渐近线为通过坐标原点与横坐标轴成夹角45 0的直线。
如果把基准面0-0提到z1使其经过断面的最低点，则单位重量 液体对新基准面O1-O1的机械能为 e
eez1(zp 2 v g 2)z1h 2 v g 2
2020/3/13
断面单位能量或断 面比能 e ：基准面选在 断面最低点时 单位重量 液体的机械能。
E z p v2
2．临界水深
临界水深 是断面形式和流量给定的条件下，相应于断 面单位能量为最小值时的水深。
Gsinθ=F
2020/3/13
Gsinθ=F
上式表明： 1）明渠均匀流中 阻碍水流运动的摩擦阻力 F 与 使水流运动的 重力在水流方向上的分力(即推力)Gsinθ 相平衡。 2）说明了 反映水流推力的底坡sinθ= i 和 反映对水流的摩擦 阻力的粗糙系数n 必须沿程不变 才能维持明渠均匀流。
对于小型渠道，一般按水力最优设；
h(b h)h2( 1m2m)
对于大型土渠的计算，则要考虑经济条件，常作成宽浅断面。 例如取β=3—4 。
按水力最优断面设计的断面过于深窄。 例：m=1.5, b=10m,
则 βh=b/h=0.6055, h= 16.51m
对通航渠道则按特殊要求设计。
2020/3/13
当明渠断面形状、尺寸和流量一定 时，断面单位能量e为水深h的函数，它 在沿程的变化随水深h的变化而变。
（1）当h→0时，ω→0， Q2/2g2 ，则此时e→∞，
横坐标轴是函数曲线e=f(h)的渐近线，
（2）当h→∞时，ω→∞,则
，此时e=h→∞，
Q2/2g2 0
另一渐近线为通过坐标原点与横坐标轴成夹角45 0的直线。
如果把基准面0-0提到z1使其经过断面的最低点，则单位重量 液体对新基准面O1-O1的机械能为 e
eez1(zp 2 v g 2)z1h 2 v g 2
2020/3/13
断面单位能量或断 面比能 e ：基准面选在 断面最低点时 单位重量 液体的机械能。
E z p v2
2．临界水深
临界水深 是断面形式和流量给定的条件下，相应于断 面单位能量为最小值时的水深。
均匀流--《水力学》第六章
1． 明渠均匀流特性和形成条件由受力平衡推得f F G =θsin说明均匀流中重力分力与摩阻力平衡。
由能量方程推得21-=f h z ∆说明势能的减少等于克服摩阻力产生的能耗。
均匀流产生的条件：恒定、流量不变、糙率不变的长直正坡棱柱形渠。
2． 基本公式（谢才公式、曼宁公式）K ——流量模数，即底坡为1时通过的流量。
Ri C v =611R n C =i K Ri AC Av Q ===21321i R nv =3． 计算类型正常水深h 0：即均匀流水深，以区别于非均匀流水深。
1) 校核过水能力计算已知渠道边界条件（b 、m 、n 、i ）和实际水深(h)，求流量Q 。
Ri AC Q =2) 渠道设计计算——常用试算和图算✧ 底坡设计：已知渠道断面条件（b 、h 、m 、n ）以及流量Q ，求底坡i 。
R AC K =22KQ i = ✧ 底宽设计：已知流量Q 、底坡i 、边坡系数m 及糙率n ，水深h 另由通航、防洪或施工条件限定作为已知值，求底宽b 。
设不同b 值，由R AC K =作)(b f K =曲线，根据已知条件，由iQ K =实际值查对应的底宽b 。
✧ 渠深设计：水深h 加上一定超高就是渠深。
此类设计相当于已知流量Q 、底坡i 、边坡系数m 及糙率n ，底宽b 另由地形或施工条件限定，求水深h 。
与上相似，作)(h f K =曲线，查已知的实际K 值对应的水深h 。
✧ 宽深比hb =β已定，设计相应的b 、h ：流量Q 、底坡i 、边坡系数m 及糙率n 已知，宽深比β由水力最优或综合技术经济条件给出，此时b 、h 中只有一个独立未知量，可用前述方法计算。
✧ 限定最大允许流速[v]max ，求相应b 、h ：流量Q 、底坡i 、边坡系数m 及糙率n 为已知，此时渠道过水断面面积和水力半径为定值。
max][v Q A = 2/32/1max )][(i v n R = 由几何关系h mh b )(+=A212)(m h b hmh b A +++==χR联立可解b 、h 。
《明渠均匀流》课件
均匀流验证
通过水力学模型试验或数值模拟，验 证溢洪道是否满足明渠均匀流的条件 ，确保设计的有效性。
城市排水系统的明渠均匀流优化
优化目标
城市排水系统在雨季需要快速 、有效地排放雨水，避免内涝 灾害，明渠均匀流是实现这一
目标的关键。
管道布局
根据城市地形和雨水排放需求 ，合理规划排水管道的布局， 确保水流顺畅。
流量计算
根据已知的水头和管道截面积计算流量。
水头损失计算
根据伯诺里方程计算水头损失。
阻力损失计算
根据达西公式计算沿程阻力损失，根据谢 才公式计算局部阻力损失。
水力效率计算
根据水头损失和流量计算水力效率。
参数选择与校核
01 参数选择
根据实际工程需要选择合适的管道材料、管径、 粗糙度等参数。
02 校核内容
02 斯拉egan cheer堞
05
明渠均匀流的案例分析
某河流的明渠均匀流分析
案例概述
某河流在某一河段呈现出明渠均匀流 的特征，该河段具有代表性的地理、 水文条件，适合进行明渠均匀流的分
析。
水深确定
根据流速分布和水力学原理，确定该 河段的合理水深，以满足明渠均匀流
的条件。
流速分布
通过实测数据或模拟计算，分析该河 段内的流速分布，探究流速与断面宽 度的关系。
动量方程
总结词
描述水流受到外力作用时的运动变化
详细描述
动量方程是关于水流动量的守恒方程，它反映了水流在外力作用下的运动变化 规律。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，动量方程可以简化为一个简单的 形式，便于分析和计算。
能量方程
总结词
描述水流能量的转化和损失
详细描述
能量方程是描述水流能量转化和损失的方程，它包括了水流的重力势能、动能和 阻力损失等能量要素。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，能量方程可以简化 为一个简单的形式，便于分析和计算。
通过水力学模型试验或数值模拟，验 证溢洪道是否满足明渠均匀流的条件 ，确保设计的有效性。
城市排水系统的明渠均匀流优化
优化目标
城市排水系统在雨季需要快速 、有效地排放雨水，避免内涝 灾害，明渠均匀流是实现这一
目标的关键。
管道布局
根据城市地形和雨水排放需求 ，合理规划排水管道的布局， 确保水流顺畅。
流量计算
根据已知的水头和管道截面积计算流量。
水头损失计算
根据伯诺里方程计算水头损失。
阻力损失计算
根据达西公式计算沿程阻力损失，根据谢 才公式计算局部阻力损失。
水力效率计算
根据水头损失和流量计算水力效率。
参数选择与校核
01 参数选择
根据实际工程需要选择合适的管道材料、管径、 粗糙度等参数。
02 校核内容
02 斯拉egan cheer堞
05
明渠均匀流的案例分析
某河流的明渠均匀流分析
案例概述
某河流在某一河段呈现出明渠均匀流 的特征，该河段具有代表性的地理、 水文条件，适合进行明渠均匀流的分
析。
水深确定
根据流速分布和水力学原理，确定该 河段的合理水深，以满足明渠均匀流
的条件。
流速分布
通过实测数据或模拟计算，分析该河 段内的流速分布，探究流速与断面宽 度的关系。
动量方程
总结词
描述水流受到外力作用时的运动变化
详细描述
动量方程是关于水流动量的守恒方程，它反映了水流在外力作用下的运动变化 规律。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，动量方程可以简化为一个简单的 形式，便于分析和计算。
能量方程
总结词
描述水流能量的转化和损失
详细描述
能量方程是描述水流能量转化和损失的方程，它包括了水流的重力势能、动能和 阻力损失等能量要素。在明渠均匀流中，由于流速分布均匀，能量方程可以简化 为一个简单的形式，便于分析和计算。
第六章 明渠均匀流最新版
c 1 Ry n
适用范围；0.1m≤R≤3m， 0.011≤n≤0．04。
粗糙系数n的重要性
1.若n 值选的偏小，计算所得断面也偏小， 易发生漫溢。 2.若n值过大，设计断面偏大,造成浪费。
G sin Ff
流量模数 K C R
C
1
1
R6
n
当断面形状尺寸、n、i一定时
h
1 m
α
b
梯形断面
K=f(h) Q=f(h)
h
α
b
梯形断面
2.顺坡、平坡、逆坡渠道
明渠渠底纵向（沿水流方向）倾斜的程度称为底坡。 以i表示。
i等于渠底线与水平线夹角θ的正弦，即
i=
△z △l
=
sinθ
水面线
实际底坡i<0.01
i≈
△z △l’
=tanθ
底坡线
△z θ
△l △l’
水面线
底坡线
θ
i>0 顺坡、正坡
i=0 平坡
i<0 逆坡、负坡
因素
防止植物滋生、淤泥或沙的 vmin：不淤允许流速。沉分积别，不渠低道于中0.6断m面／平s、均0流.2速m
／s或0.4m／s。
第四节 明渠均匀流水力计算的基本问题
Q C Ri f (b, h, m, n,i) 计算依据：
k i
一、验算渠道过流能力
问题：已知b、h、m、n、i；求Q 方法：直接代公式。
通常i<0.01,过水断面由 铅垂断面代替
明渠分类总结
沿程断面形状 尺寸是否变化
明渠
底坡i=sinθ
棱柱形 渠道
非棱柱 形渠道
f (h) f (h,s)
第六章明渠均匀流
1
1
z01 0
2
z02 2
0
ds
i z sin
L
正坡：渠底沿程降低。 i ＞0 平坡：渠底沿程水平。 i ＝0 负坡：渠底沿程升高。 i ＜0
▽ ▽
i ＞0
i ＝0
▽
i ＜0
二、明渠的横断面
渠道的过水断面型式有很多种。对于人工修 建的明渠，为了便于施工和符合水流运动特点， 一般做成对称的规则断面。工程中常见的形状： 梯形断面、矩形断面或圆形断面、U形断面和复式 断面等。天然河道由于长度一般比较大，受地形 条件的限制，断面通常是不规则的，也不对称， 往往可分为主槽与滩地。
b 2h
R A bh
b 2h
圆形断面：
A 1 r 2 1 r 2 sin2
2
2
1 r 2 sin
2
h bB
B
rh
d
A d 2 Sin 其中为θ弧度。
8
d
2
0
180
R A d（1 Sin ） 4
按断面形状、尺寸沿流程是否变化分类：
断面的形状、尺寸沿流程不变的长直渠道，称为
上述条件中任何一个不能满足时，都将产生明 渠非均匀流。在实际工程中，严格地讲，没有绝对 的明渠均匀流，只要与上述条件相差不大，即可近 似地看成是明渠均匀流。在人工渠道中，渠轴线总 是尽可能的顺直，底坡沿程尽量保持不变，人工渠 道通常是沿程不变的棱柱体渠道，基本上满足均匀 流的条件。至于天然河道，一般为非均匀流；个别 较顺直整齐的、糙率基本一致的、单式断面、河床 稳定的河段，可视为均匀流段。
棱柱体渠道。
断面的形状、尺寸沿程渐变的长直渠道，或断 面形状尺寸沿程不变的轴线弯曲的渠道，称为非棱 柱体渠道。
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i < 0 逆6坡
第六章 明渠均匀流
四、明渠均匀流产生的条件
B
GsinFf
orisinFf 0
G
P
1
v 1α G
A F
f
C
v
2
τ
P
0
2
D
CHENLI
7
第六章 明渠均匀流
四、明渠均匀流产生的条件
必要条件
恒定流 流量沿程不变（无分叉和汇流情况） 渠道为长、直的棱柱体顺坡渠 渠中无闸、坝、跌水等建筑物的局部干扰 底坡、糙率沿程不变
A bh 0 1 .5 1 .7 2 .55 2h0 b 2 1.7 1.5 4.9 R A / 0 .52 C 1 R 1/ 6 64 .06
n Q AC Ri 2 .36 m 3 / s
CHENLI
v Q/ A 0.93 v2 / gh1
11
1—1 2—2 3—3
横断面形状、尺寸沿程改变的渠道，称为
非棱柱体渠道。水流不可能形成C均HENL匀I 流动。
5
三、明渠的底坡
第六章 明渠均匀流
明渠底坡有三种类型
正坡 i > 0 渠底高程沿流程降低 平坡 i = 0 渠底高程沿程不变 负坡 i < 0 渠底高程沿流程增加
i > 0 顺坡
i = C0H平ENL坡I
资料的基础上, 提出明渠均匀流 流速与流量的经验公式－谢才公 式，以后又有确定谢才系数的满 宁公式（R.Manning）、 巴普洛 甫斯基公式。
CHENLI
10
六、明渠计算公式
第六章 明渠均匀流
QACR i Ki
1、有一矩形断面渠道，底宽b＝1.5m，底坡i＝0.0004，糙率n＝0.014，当 槽中均匀流水深h0=1.7m时，试求通过的流量Q , 并判别是急流还是缓流。
B
m m h b
b2mh
bmhh
bmhh
b2h 1m2
b2h 1m2
B
d
h
2
hdh
d2 sin*
8
1 d 2
*式中 以弧度计
CHENLI
d 4
1
sin
4
二、明渠纵断面
横断面形状、尺寸沿程 不变，同时又无弯曲的 渠道，称为棱柱体渠道。
第六章 明渠均匀流
1
3
2 2
3
棱柱1 体
非棱柱 棱柱体 体
第六章 明渠均匀流
CHENLI
1
一、明渠的定义
第六章 明渠均匀流
明渠是一种人工修建或自然形成的渠槽。明渠中流动的 液体称为明渠水流。
当液体通过明渠流动时，形成与大气相接触的自由水面， 表面各点压强均为大气压强，所以明渠水流为无压流。
明渠水流可分为恒定流与非恒定流、均匀流与非均匀流、 渐变流与急变流等。
CHENLI
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第六章 明渠均匀流
五、明渠均匀流特性
总水头、水面线及底坡线三者相互平行
J=Jp=i
均匀流段非均匀流段来自非均匀流段多数明渠流是非均匀流。 近似符合条件的人工渠、河道CHE中NLI 一些流段可认为是均匀流。9
六、明渠计算公式
第六章 明渠均匀流
谢才公式： v C RJ
1769年
总结了一系列渠道水流实测
CHENLI
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一、明渠的定义
明渠水流
第六章 明渠均匀流
运动要素不随时间而变
明渠恒定流
流线是一簇平行直线
CHENLI
明渠恒定均匀流
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二、明渠横断面
第六章 明渠均匀流
表常5-2 见矩形断、梯形面、圆形 水过水力断面的要水力要素素
断面形状
B h
b
水面宽度 B
b
过水断面积 湿周
A
x
bh
b2h
水力半径
R
bh b 2h