明渠自掺气水流(邓军,许唯临,卫望汝 著)思维导图
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明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
水
2010 年 3 月 9350 （ 2010 ） 03034305 文章编号：0559-
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 41 卷 第3 期
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
张法星， 许唯临， 朱雅琴
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ）
摘要：采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测， 拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程， 对气泡形成的过程进行了概化分析 。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用， 导致水面发生上凸下凹 的变形。当这种变形达到一定程度后， 受顺水流向或横向脉动压力 、 横向切应力的作用， 深入水体凹坑的边壁在某 一部位闭合， 下部包裹空气形成气泡而发生自掺气 。随着紊动强度进一步增大， 水面变形加剧， 表现为高高跃出水 这些水柱的倾倒、 聚并也会造成空气进入水中形成气泡 。 明渠水流自掺气是水体内部紊动 面的柱状突起和水滴， 与水面相互作用的结果 。 关键词：明渠；自掺气；掺气机理；自由面；气泡 中图分类号：TV135. 2 文献标识码：A
0526 收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（ 50539060 ） ；国家杰出青年科 学基金（ 50325928 ） mail：zhfx@ scu. edu. cn 作者简介：张法星（ 1979 － ） ， 男， 山东嘉祥人， 博士， 主要从事工程水力学和水动力学研究。E-
［ 14 － 15 ］ 。当水滴与回落到运动水流的水面时 ， 把空气包裹住， 形成气泡， 这一观点已被其他研究者证实 与 ［ 16 ］ ， 。 ， “ ” ， 撞击静止的水面相比 更难包裹空气形成气泡 所以 水滴回落而导致掺气 的观点值得商榷 为弄 ［ 13 ］ ［ 12 ］
2010 年 3 月 9350 （ 2010 ） 03034305 文章编号：0559-
利
SHUILI
学
XUEBAO
报
第 41 卷 第3 期
明渠自掺气水流气泡形成过程的试验研究
张法星， 许唯临， 朱雅琴
（ 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点试验室， 四川 成都 610065 ）
摘要：采用高速摄像技术对陡槽内自掺气水流进行了观测， 拍摄到了掺气起始区气泡在水流内部形成的完整过程， 对气泡形成的过程进行了概化分析 。水面附近涡体运动产生的脉动压强和水面相互作用， 导致水面发生上凸下凹 的变形。当这种变形达到一定程度后， 受顺水流向或横向脉动压力 、 横向切应力的作用， 深入水体凹坑的边壁在某 一部位闭合， 下部包裹空气形成气泡而发生自掺气 。随着紊动强度进一步增大， 水面变形加剧， 表现为高高跃出水 这些水柱的倾倒、 聚并也会造成空气进入水中形成气泡 。 明渠水流自掺气是水体内部紊动 面的柱状突起和水滴， 与水面相互作用的结果 。 关键词：明渠；自掺气；掺气机理；自由面；气泡 中图分类号：TV135. 2 文献标识码：A
0526 收稿日期：2008基金项目：国家自然科学基金委员会、 二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（ 50539060 ） ；国家杰出青年科 学基金（ 50325928 ） mail：zhfx@ scu. edu. cn 作者简介：张法星（ 1979 － ） ， 男， 山东嘉祥人， 博士， 主要从事工程水力学和水动力学研究。E-
［ 14 － 15 ］ 。当水滴与回落到运动水流的水面时 ， 把空气包裹住， 形成气泡， 这一观点已被其他研究者证实 与 ［ 16 ］ ， 。 ， “ ” ， 撞击静止的水面相比 更难包裹空气形成气泡 所以 水滴回落而导致掺气 的观点值得商榷 为弄 ［ 13 ］ ［ 12 ］
第6章 明渠流动(2)图文图文课件
2g 2g
2
vcr = ghcr
如图6-9所示，比临界水深hcr深的水深（h = h2） ，称为缓流。相反，比临界水深hcr浅的水深（h = h1）称为 急流。
6.3 缓流、急流和临界水深
明渠流的流态是缓流还是急流，用临界水深和Ho 的关系式（6-18）和式（6-19）的结果也可以判定。换句话
说，下来的任缓一流关：系的h都>要(q满2)足1Τ3：，
H = v2 + z + h
2g
（6-22） 对上式求x的微分，即
6.4.1 水跃
这个算式各项的意义是： − dHΤdx总水头梯度i， − dzΤdx是渠底面坡度io。明渠宽度一定时，单位宽度的流 量q(= vh)一定，并与x无关，而
1 d(v2) = 1 d
2g dx 2g dx
q2 h2
=
−
q2 g
无压流。 非定常流，均匀流和非均匀流之分。
明渠的流动状态也用雷诺数判断，即
Re
=
ρvm μ
=
vm ν
6.1 明渠
式中 水力平均深度m为明渠过流断面的面积A与
湿周长s之比，如图6-1所示，即 m=A
s
（6-2
6.1 明渠
在一个均匀的流动是定常的，该状态在横截面形状 、梯度和壁一定时，通过长直通道时，在任意位置上水的深 度相等的。相反，在不均匀的定常流时，水的深度在流动方 向是改变的。
第6章 明渠流动
明渠是除管道以外输送液体的主要方式。人工 明渠的形状比较规则，流动规律可控，易于用流体力学理 论进行分析。研究明渠流动一般从人工明渠入手
6.1 明渠
明渠流是指流体在地心引力作用下形成的重力
流动。其特点是渠槽具有自由表面，自由面上各点均受相
第六章 明渠水流
产生条件
水力图式：图6-4
（图6-4）
给排水教研室吴洪华 13
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-2 明渠均匀流
产生条件
理论分析方法——如图6-4，列前后动量方程有
P 1P 2 T G sin 0 P sin i 1 P 2 ， z l
得 Gi T
给排水教研室吴洪华 2
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
明渠水流特性
可有恒定流与非恒定流，均匀流与非均匀流， 渐变流与急变流等类型。 水力计算基本问题：水面曲线分析面与计算， 即沿程水深流速计算。
给排水教研室吴洪华
3
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
（6-1）
A 水力半径 R
边坡系数
5
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-1 明渠几何特征与容许流速
明渠断面水力要素
圆形断面
过水面积 水面宽度 湿 周
d2 A ( sin ) 8
B d sin
2 h( d h) 2
（6-2）
水力半径 充满度
dQ 5 2 sin θQ 令 0， 有 1 cos θQ dθQ 3 3 θQ
给排水教研室吴洪华
0
22
水力学与桥涵水文叶镇国
彭文波 编著
6-3 明渠均匀流基本公式
解之得: θQ 302.41
302.41 h aQ sin sin 0.9382 4 4 d Q θ 2 Q
（6-13）
明渠恒定流的流动类型及其判别(ppt 51页)
例7.1.3 有一圆形混凝土污水管，已知底坡i＝ 0.005，粗糙系数n=0.014，充满度α=0.75时 流量Q=0.25m3/s，试求：该管的管径d。
0.75 AQ/Qd0.91
Q d Q /A 0 .2/0 5 .9 1 0 .27 m 34 /s7
Q d1 nAR2/3i1/21 n4 d2d 42/3i1/21.573d8/3
h0
nq
i
1
2
35
（3）当已知渠道的宽深比时，求渠中的正常水深。
对梯形断面渠道：
A b h 0 m h 0 2 (b m h 0)h 0 b2h0 1m2
QACR iA1R2/3i1/2 n
i12
n
bm0hh0 53
23
b2h0 1m2
b h0
Qi12 n
m 5/3 h083
23
2 1m2
h0nQ 3i3 816 2 m 1 5m 8214
2.试算法或图解法
（1）当已知Q、i、n、m、b（或h0）求h0（或b） 时，由于此时需要求解关于h0和b的非线性方程， 不能直接求解，只能采用试算法，或者应用附图 Ⅰ的图解曲线求解。
或
或
或
或
已知 或
已知 或
（2）当已知宽深比β=b/h0或者最佳宽深比βm， 可以用附图Ⅰ图解曲线求解。
Δ
12
Δ
Δ
Δ
=
+Δ
hv12 (ha )hv22
2g
2g
2 1
(b)
(c)
v1Av2(AA)
c2
c2
h hh (
A )2
2g
2g AA
c g A(12A) gA/B gh BA
PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
水力学讲义
诚础伪经攒戎撒荒肛窝廉雹缆拥硅皂戎酝贯摹金术苞玄充诅溅哮漏乔划赢PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 5.5 明渠均匀流的水力计算 一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h 确定Q ; 直接用公式:
第五章 明渠恒定均匀流 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( 称作底坡 )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。
水力学讲义
粉天删鲸般匪疹腥翘渐由助舞闷咋钥叔夏藩嗣跨伸揉汞辣准椰妈书斌邀蝶PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。
水力学讲义
旭系笔肝淆十习僵睦骤藏掠海躺察湃青卒遥袋招膨驴治聋拘酌哟抗症碗笼PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下： 水面宽度： B=b+2mh 过水断面面积： A=(b+mh)h 湿周： 水力半径：
水力学讲义
路努吨赶羹兄操缠捕砖粒链想口勃函苍蓝巷简悟积瓶店罚窒欣湃侠侥焚连PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
诚础伪经攒戎撒荒肛窝廉雹缆拥硅皂戎酝贯摹金术苞玄充诅溅哮漏乔划赢PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 5.5 明渠均匀流的水力计算 一、验算渠道的输水能力 对已成渠道进行校核性的水力计算，特别是验算渠道的输水能力。即已知：n,i,b,h 确定Q ; 直接用公式:
第五章 明渠恒定均匀流 5.1 明渠的类型及其对水流运动的影响 明渠的渠身及其沿流动方向的倾斜程度( 称作底坡 )，是水流边界的几何条件。一定形式的边界几何条件，给予水流运动一定的影响。所以为了了解水流运动的特征，必须先对影响明渠水流运动的边界几何条件进行分析。
水力学讲义
粉天删鲸般匪疹腥翘渐由助舞闷咋钥叔夏藩嗣跨伸揉汞辣准椰妈书斌邀蝶PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第五章 明渠恒定均匀流 一、明渠的横断面 人工明渠的横断面，通常作成对称的几何形状。例如常见的梯形、矩形或圆形等。至于河道的横断面，则常呈不规则的形状。 而根据渠道的断面形状、尺寸，就可以计算渠道过水断面的水利要素。
水力学讲义
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第五章 明渠恒定均匀流 工程中应用最广的是梯形渠道，其过水断面的诸水利要素关系如下： 水面宽度： B=b+2mh 过水断面面积： A=(b+mh)h 湿周： 水力半径：
水力学讲义
路努吨赶羹兄操缠捕砖粒链想口勃函苍蓝巷简悟积瓶店罚窒欣湃侠侥焚连PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界PPT-第五章明渠恒定均匀流明渠水流在水利工程中或是在自然界
第8章__明渠流动
θ i
Δz
底坡分为三类: i>0,正坡或顺坡(沿流程降低);
i=0,平坡(渠底水平);
i<0,反坡或逆坡(沿流程升高);
均匀流形成条件和水力特征
形成条件:
i>0,且不变;
壁面粗糙系数n沿程不变;
棱柱形渠道; 恒定流; 即
特征:总水头线与水面线与渠底线相互平行.
J Jp i
梯形过水断面的几何要素
水
现象：
跌
处于缓流状态的水流， 由于渠底突然变陡，或 者由于下游渠道断面突 然变宽，因而导致水面 急剧下降，水深减少变 成急流。
发生的位臵：
ho hk
ho
hk
水
跃
现象:水流从急流过渡到 缓流时水面骤然跃起。 水流特点:水跃的上部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。 消能:水跃消耗了水流中大量的能量，可达水跃前断面 能量的60~70%。 工程利用：（1）常作为重要的消能手段。通过人工措 施促成水跃在指定范围内发生，消除余能以减少下泄水 流对下游渠底、河床的冲刷。（2）由于水跃的主流区 内水流旋滚非常剧烈，可把水跃作为搅拌用的一种有效 方法。
明渠非均匀急变流
渐变流——明渠流水深的变化局限在一个流区（即分 别在缓流范围或急流范围）内，水流属同一流态。 急变流——若明渠流水深变化很大，且超出同一流区 （即从缓流变化至急流或从急流变化至缓流）。 急变流内水深和流速都发生急剧变化，水面曲线弯曲 程度大，过水断面内的压强分布不再符合静水压强分 布规律。 因为引起流动急剧变化的渠道边界条件的不同，这种 非均匀急变流可能是由缓流突变为急流，也可能是由 急流突变为缓流。通常前者称为水跌，后者则称为水 跃。不管是水跌还是水跃，都要穿过临界水深。
流体力学课件第8章明渠流动
（2） i 应尽量与地面坡度一致，以减少土方量。 为此可采取集中落差的方法来改变值 i 。
四、水力计算基本问题
主要可归为四大类
1、验算渠道的输水能力。
已知： b， h， m， n， i
以梯形断面 为例分析
求： Q 验算 v 是否
方法： Q Av Ac Ri K i
合乎要求。
2、计算渠道的粗糙系数。
1.天然河道的横断面 呈不规则形状，分主槽和滩地 枯水期：水流过主槽 丰水期：水流过主槽和滩地
主槽
滩地
2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：
（1） 棱柱形渠道 A = f (h) ；
A过流断面面积，h水深 （2）非棱柱形渠道 A = f (h，s) s流程
三、明渠的分类
按断面形状、尺寸是否沿程变化分 棱柱体明渠、非棱柱体明渠
2> 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。
断面面积一定时，流量最大为最佳。 流量一定时，断面面积最小为最佳；
（1）最优断面推导——曼宁公式
Q A R1/6 n
Ri 1 A5/3i1/2
n 2/3
思考：相同面积哪种图形周长最小？
当 n、i、A 一定时， 最小，可使 Q 最大，从理论上分
湿周： d 2
水力半径：
R d 1 sin 4
d
h θ
（1） 当а=1 时， 为满管流动；
（2） 当а< 1 时，为不满管流动。在污水管路 设计中，为通风、防暴及适应污水量的变 化，一般均应设计为不满流。
二、水力特征：
Q AC Ri K i
（1） J= Jp= i ；
（2）水力最优发生在满管之前
四、水力计算基本问题
主要可归为四大类
1、验算渠道的输水能力。
已知： b， h， m， n， i
以梯形断面 为例分析
求： Q 验算 v 是否
方法： Q Av Ac Ri K i
合乎要求。
2、计算渠道的粗糙系数。
1.天然河道的横断面 呈不规则形状，分主槽和滩地 枯水期：水流过主槽 丰水期：水流过主槽和滩地
主槽
滩地
2、据渠道过流断面的形状、尺寸是否沿程改变：
（1） 棱柱形渠道 A = f (h) ；
A过流断面面积，h水深 （2）非棱柱形渠道 A = f (h，s) s流程
三、明渠的分类
按断面形状、尺寸是否沿程变化分 棱柱体明渠、非棱柱体明渠
2> 设计渠道时，不但应遵从基本公式，还应考虑水 力最优，但由此设计的渠道却不一定是最经济。
断面面积一定时，流量最大为最佳。 流量一定时，断面面积最小为最佳；
（1）最优断面推导——曼宁公式
Q A R1/6 n
Ri 1 A5/3i1/2
n 2/3
思考：相同面积哪种图形周长最小？
当 n、i、A 一定时， 最小，可使 Q 最大，从理论上分
湿周： d 2
水力半径：
R d 1 sin 4
d
h θ
（1） 当а=1 时， 为满管流动；
（2） 当а< 1 时，为不满管流动。在污水管路 设计中，为通风、防暴及适应污水量的变 化，一般均应设计为不满流。
二、水力特征：
Q AC Ri K i
（1） J= Jp= i ；
（2）水力最优发生在满管之前
第九章 明渠水流和堰流9-1~-9-3
9.3.3
断面单位能量和临界水深
（1）比能、比能曲线 如图所示一渐变流，以0-0为基准面，则过水断面上单位重 力液体具有的总能量为
E z
v 2
2g
z0 h cos
v 2
2g
(9.7)
如果以过渠底最低点的平面0’-0’为基准面，则单位能量为
E s h cos
v 2
Q Ac Ri
i A5 / 3 Q 2/ 3 n
1 16 c R n
i A5 / 3 Q 2/ 3 n
周
当渠道的底坡i、粗糙系数n及过水断面积A一定时，湿 越小 （或水力半径R愈大）通过流量Q愈大；或当i、
n、Q一定时，湿周 越小（或半径R愈大）所需的过水断面
积A也愈小。 由几何学可知，这种断面应该是圆形或半圆形断面。 工程中采用最多的是梯形断面，其边坡系数 m 由边坡稳 定要求确定。在 m 已定的情况下，同样的过水面积 A ，湿周
即梯形水力最佳断面的水力半径等于水深的一半。 矩形断面可以看成为 m = 0 的梯形断面。以 m = 0 代入以上 各式可求得矩形水力最佳断面的 m及 Rm 值。
hm Rm 2
bm m 2 即 bm 2hm hm
hm Rm 2
水力最优断面存在的问题
当给定了边坡系数m，水力最优断面的宽深比 b/h是唯一的。
2g
(9.8)
断面的单位能量Es又称为断面比能，简称为比能。
由式（9.7），E s E z0 ，即比能与断面的总能量相差一
个渠底高度z0。在实用上，因一般明渠底坡较小，可认为
cos 1.0 ，故常采用
Es h
Es h
v 2