水面曲线教程.ppt

章明渠水流水力计算6-1概述1、明渠分类2)明渠断面形式3)明渠的几何参数②梯形断面明渠4）明渠按底坡分类6-2明渠恒定均匀流1、明渠均匀流的特征及形成条件2)均匀流的形成条件2.明渠均匀流的基本公式3.水力最优断面和允许流速水力最优梯形断面梯形断面的边坡系数m水力最优断面存在的问题2）实用经济断面②实用经济断面存在可能性3）渠道的允许流速4.明渠均匀流的水力计算3)设计渠道断面尺寸（2）已知b，求h0试算方法同（1）设h0计算Q。点绘曲线，内插求h0(3)已知求b和h0方法同前，设b（或h0），由计算h0（或b），点绘曲线，内插h0（或b）。(4)求b和h0这是常见的多种选择的设计任务。任设b,b1…bi…计算h0,h01…h0i…Q,Q1…Qi…从中选择一组bi和h0i能满足：①渠道所担负的任务；②允许流速；③技术经济要求。4、无压圆管均匀流的水力计算（1）几个概念（2）当Q=QMax，V≠Vmax2)无压圆管水力计算3）无压圆管设计规范②雨水管和合流管按满流设计：③最大流速规范：金属管：V≤10m/s非金属管：V≤5m/s④最小流速规范：d≤500mm,Vmin=0.7m/sd＞500mm,Vmin=0.8m/s5.湿周上糙率不同的渠道水力计算6、复式断面渠道的水力计算6-3明渠恒定非均匀流2、明渠的三种流态2）明渠流流态分类②弗劳德数FrFr<1，缓流；Fr=1，临界流；Fr>1，急流③Fr(弗劳德数)的物理意义=惯性力/重力；Fr=动能/势能3、断面比能断面比能Es也可用流量Q表示：断面比能与总机械能的关系：Es=-z0+E2)比能函数曲线极值点Esmin对应的水深称为临界水深hk当给定棱柱体渠道和流量，临界水深hk是唯一的。极值点把比能函数曲线分成两支：上支：h>hk,dEs/dh>0，缓流下支：h<hk,dEs/dh<0，急流4、临界水深的计算5、临界底坡ik对于宽矩形断面明渠，则有=（断面形状、尺寸、糙率）该式表明：临界底坡ik与渠道断面形状、尺寸、糙率n及流量Q有关，但与实际底坡i无关。当给定棱柱体渠道，ik=f(Q)①当i>ik,(h0<hk)为陡坡。若发生均匀流→急流。②当i=ik,(h0=hk)为临界坡。若发生均匀流→临界流。③当i<ik,(h0>hk)为缓坡。若发生均匀流→缓流。6、明渠流态判别（小结）6-4明渠恒定急变流1、水跃的特点2、水跃基本方程根据平底棱柱体渠道水跃方程显然，等式两边都是水深的函数，称为水跃函数。即跃前、跃后断面的水跃函数值相等，故h′和h〞为共轭水深。3、水跃函数曲线极值点把水跃函数曲线分成2支：上支：代表跃后断面(h〞)水跃函数（缓流）；下支：代表跃前断面(h′)水跃函数（急流）。若将J(h)与Es(h)点绘于同一图上，可得到水跃消能率Es(h′)-Es(h〞)4、共轭水深的计算用弗劳德数Fr表示的共轭水深计算公式5、水跃尺寸跃长经验公式：（仅作估算用）①美国垦务局公式lj=6.1h〞Fr1=4.5～10②Elevatorski公式lj=6.9(h〞-h′)水跃的消能效果与来流的佛汝德数Fr1有关。Fr1=9时消能率可达70%，Fr1＞9时消能率更大，不过这时下游波浪较大。比较理想的范围是Fr1=4.5～9。水跃的消能功率为ΔNj=γQΔEj7、水跌现象6-5明渠恒定渐变流水面曲线分析1、明渠渐变流水面曲线基本微分方程推得：(N为正实数。)(M为正实数。)2、明渠渐变流水面曲线分析各种底坡上的水流分区1）缓坡(Mildslope)上的水面曲线2）陡坡上的水面曲线3）临界坡上的水面曲线4)平坡上的水面曲线5）反坡上的水面曲线明渠渐变流共12条水面曲线。实际水深可被控制在任何一个流区，每一流区的水面线型式都是唯一的。3、水面曲线分析的一般原则5)在i>0的三种底坡上，可发生均匀流，也可发生非均匀流。①发生在缓坡上的均匀流，必为缓流均匀流；②发生在陡坡上的均匀流，必为急流均匀流；③发生在临界坡上的均匀流，必为临界均匀流。非均匀流的缓流和急流，都能发生在任何底坡上。6）在i≤0的底坡上，不能发生均匀流，但可发生缓流，也能发生急流。6-6变底坡明渠的水面曲线联接2、没有水跃的变坡渠道的水面联接3、发生水跃的变坡渠道水面连接2)临界水跃4)平坡上的水跃5)反坡上的水跃6-7水面曲线计算1、数值积分法2、分段求和法2）基本公式