1、明渠均勻流課件第1頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三教學基本要求1.了解明渠水流的分類和特征，了解棱柱體渠道的概念，掌握明槽底坡的概念。2.了解明渠均勻流的特點和形成條件，熟練掌握明渠均勻流公式，并能應用它來進行明渠均勻流水力計算。3.理解水力最佳斷面和允許流速的概念，掌握水力最佳斷面的條件和允許流速的確定方法，學會正確選擇明渠的糙率n值。4.掌握無壓圓管均勻流的水力特性，熟練運用圖表法和解析法進行無壓圓管均勻流的水力計算。學習重點和難點1. 明渠均勻流水力計算；2. 運用解析法和圖表法進行無壓圓管流的水力計算，這部分也是本章的難點；第2頁，共37頁，2022年，5月2

2、0日，17點37分，星期三第3頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第一節 明渠均勻流概述明渠水流是一種極為常見的水流現象。如天然河道，人工渠道，排水管道中的水流均屬明渠水流。明渠水流最主要的特點是具有敞開的液面，液面上各點的相對壓強為零。因此，明渠水流也稱為無壓流。另外明渠水流是在重力作用下運動的，因此也稱其為重力流。第4頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三一、明渠水流的分類1.棱柱形形渠道和非棱柱形渠道圖7-1 渠道斷面形狀第5頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 斷面形狀、尺寸及底坡沿程不變，同時又無彎曲渠道，稱為棱柱體渠道

3、。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三常見的人工明渠橫斷面有梯形、矩形和圓形。邊坡系數m：反映渠道兩側傾斜程度 水力半徑： A：斷面面積 ：濕周天然河道的橫斷面常呈不規則形狀。第7頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三常見的過水斷面的水力要素斷面形狀水面寬度 B過水斷面積 A濕 周 x水力半徑 R*式中 以弧度計第8頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 明渠渠底縱向傾斜的程度稱為底坡。以符號i表示，等于渠底線與水平線夾角的正弦， 只有在順坡明渠中才有可能產生均勻流。2.明渠的底坡順坡： i0，明槽槽底沿程降低者稱為正坡或順坡。

4、第9頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三平坡： i=0，明槽槽底高程沿程不變者稱為平坡。 逆坡： i0，明槽槽底沿程增高者稱為反坡或逆坡。第10頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三圖7-3渠道底坡種類 圖7-2渠道底坡定義 第11頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三二、明渠均勻流的基本特征及發生條件過水斷面的水深、斷面平均流速及其分布都沿程不變的明渠水流稱為明渠均勻流。1. 明渠均勻流基本特征1）均勻流過水斷面的形狀、尺寸沿流程不變。2）過水斷面上的流速分布和斷面平均流速沿流程不變。3）總水頭線坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等，

5、 即水流的總水頭線、水面線和渠底線三條線平行。 第12頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三2.明渠均勻流的發生條件 1）水流必須是恒定流，以保證沿程水深、流速不發生變化; 2）渠道必須是長直棱柱形渠道，否則在斷面發生變化處就會產生非均勻流; 3）底坡必須沿程不變，且為正坡。因為只有在正坡渠道中，重力在流動方向上的分力才能與阻力平衡且沿程不變，而平坡與逆坡渠道中是不可能產生均勻流的; 4）渠道表面粗糙系數n必須沿程不變。因為n值的變化將引起阻力的變化，從而引起非均勻流。第13頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三三.明渠均勻流的計算公式明渠均勻流的基本計

6、算公式為謝才公式：由于在明渠均勻流中 ，Q：流量(m3/s)； v：斷面平均流速(m/s)；i ：明渠的底坡；R：水力半徑(m)；C：謝才系數( ) ;K：明渠的流量模數（m3/s），它綜合反映明渠斷面形狀、尺寸和粗糙程度對過水能力的影響。 第14頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三表7-1 各種人工管渠的n值 管渠類別 n 管渠類別 n石棉水泥管、鋼管0.012漿砌栓渠道0.015木槽012-0.014漿砌塊石渠道0.017陶土管、鑄鐵管0.013干砌塊石渠道0.020-0.025混凝土管、鋼筋混凝土管、水泥沙漿抹面渠道0.013-0.014土明渠（包括帶草皮）0.02

7、5-0.030第15頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第二節 明渠均勻流的水力計算問題一、水力最佳斷面 當渠道的底坡、粗糙系數n及過水斷面積一定時，通過流量最大；或當底坡、粗糙系數及流量一定時，所需的過水斷面積最小時的斷面。第16頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三水力最優斷面就是濕周最小的斷面形狀。它的優點是：流動阻力最小，過流能力最大，管渠的護壁材料最省，管渠的滲水損失量也最小。第17頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 不淤允許最小流速 不沖允許最大流速二.允許流速 允許流速是為了保持渠道安全穩定運行在流速上的限制，包括

8、不沖流速、不淤流速和其它運行管理要求的流速限制。在實際明渠均勻流計算中必須結合工程要求進行校核。 第18頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 表7-2 明渠最大設計流速 明渠類別 明渠類別粗砂或貧亞粘土 0.8草皮護面 1.6亞粘土 1.0干砌塊石 2.0粘土 1.2漿砌塊石或漿砌磚 3.0石灰巖或中砂巖 4.0混凝土 4.0第19頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三三、明渠均勻流的水力計算問題1、確定管渠的輸水能力 已知管渠的斷面形狀、尺寸、粗糙系數及底坡，求該渠道的輸水能力，即已知K、i，求Q2、確定渠道底坡 已知渠道的斷面尺寸、粗糙系數、流量或

9、流速，求渠道的底坡，即已知K、Q，求管渠底坡i。3、定管渠的斷面尺寸 已知管渠的輸水能力Q、渠道的底坡、粗糙系數n，以及采用的斷面形狀（梯形、矩形、圓形等），要求確定斷面的尺寸，這是新管渠的斷面設計問題。第20頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第三節 無壓圓管均勻流的水力計算無壓圓管均勻流是明渠均勻流的一種。所謂無壓圓管是指不滿流的圓管，城市排水中的污水與雨水管道均屬于無壓圓管均勻流。第21頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第三節 無壓圓管均勻流的水力計算一、無壓圓管均勻流的水力特性 1、無壓圓管均勻流的水力要素充滿度：過水斷面A：水力半徑R：圖

10、7-4 無壓圓管過水斷面第22頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三充滿度=h/d過水斷面A（m2）水力半徑R（m）0.050.0147d20.0325d0.100.0408d20.0635d0.150.0739d20.0928d0.200.0118d20.1206d0.250.1535d20.1446d0.300.1981d20.1709d0.350.2449d20.1935d0.400.2933d20.2142d0.450.3427d20.2331d0.500.3926d20.2500d充滿度=h/d過水斷面A（m2）水力半徑R（m）0.550.4425d20.2649

11、d0.600.4919d20.2776d0.650.5403d20.2882d0.700.5871d20.2962d0.750.6318d20.3017d0.800.6735d20.3042d0.850.7114d20.3033d0.900.7444d20.2980d0.950.7706d20.2865d1.000.7853d20.2500d表7-3 不同充滿度時無壓圓管形管道的水力要素第23頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三2.無壓圓管流的無因次流量與流速圖7-5 和 曲線 稱為無壓圓管均勻流的無因次流速， 為無因次流量。式中不代下標和代有下標“0”的各量分別表示圓管

12、內不滿流 （1）和恰好滿流（=1）時所對應的各流動參量。 第24頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三當=0.95時， 此時通過的流量最大，為恰好滿流時流量的1.087倍 當=0.81時， 此時管中的流速達到最大，為恰好滿流時的1.16倍。 最大流量：最大流速：原因： 隨著充滿度的增大，圓管中過流斷面面積與濕周增加的速率不同。水力半徑R在=0.81時達到最大值，根據謝才公式可以知道其流速也達到最大值；其后，雖然水力半徑R有所減小，但是過水斷面面積A繼續增大，所以流量繼續增大；當達到0.95之后，濕周（阻力）增加的速率超過了A的增加速率，從而使流量有所降低。第25頁，共37頁

13、，2022年，5月20日，17點37分，星期三二.無壓圓管均勻流的水力計算1、計算類型校核已建成管道的過水能力（已知d，n，i，求Q）設計管道坡度（已知Q ，d ，n，求i ）設計管徑（已知Q ，n，i，求d ）2、相關規定管徑或暗渠高H（mm）最大設計充滿度（=h/d或h/H）2003000.553504500.65管徑或暗渠高H（mm）最大設計充滿度（=h/d或h/H）5009000.710000.75第26頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三3、無壓圓管均勻流的水力計算方法 1）解析法。即由明渠均勻流基本公式 直接求解。 2）圖表法。為方便計算，在實際工程中常依據明

14、渠均勻流基本公式中 和 的函數關系制成計算圖或計算表，列入相關專業的水力計算手冊中，以備查用。第27頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三圖7-6非滿流鋼筋混凝土圓管計算圖第28頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第八章 繞流運動概述第一節 附面層的概念 一、附面層現象 空氣流過機翼形成的附面層現象 第29頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三二、附面層的基本特征圖8-2 平板上的混合附面層 第30頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三三、附面層的分離圖8-3 粘性流體流過曲面物體第31頁，共37頁，2022年，

15、5月20日，17點37分，星期三加速降壓區減速升壓區不會發生邊界層分離的區域：可能發生邊界層分離的區域：四、曲面邊界層的分離現象卡門渦街第32頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 繞過圓柱體的流動第33頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三 卡門渦街脫落頻率：斯特勞哈爾數第34頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第二節 繞流阻力與升力 一、繞流阻力 與物體運動的方向相反，起著阻礙物體運動作用的作用力，稱為阻力。1.摩擦阻力 流體繞過物體流動所引起的切向應力造成的阻力。2.壓差阻力 流體繞過物體流動所引起的壓強差造成的阻力。由粘性間接作用的結果。與物體的形狀有很大關系。第35頁，共37頁，2022年，5月20日，17點37分，星期三第二節 繞流阻力與升力 二、繞流升力當流體繞流的物體為非對稱形，或來流方向與物體的對稱軸不平行時（如圖所示），都會形成物體上部流速大于下部流速的流動，使物體的上下表面受到不同的壓強作用，從而在垂直于來流速度的方向上產