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明渠均匀流课件.ppt

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单元四 明渠均匀流,浙江建设职业技术学院 暖通教研室 张玲,教学基本要求 1.了解明渠水流的分类和特征,了解棱柱体渠道的概念,掌握明槽底坡的概念。 2.了解明渠均匀流的特点和形成条件,熟练掌握明渠均匀流公式,并能应用它来进行明渠均匀流水力计算。 3.理解水力最佳断面和允许流速的概念,掌握水力最佳断面的条件和允许流速的确定方法,学会正确选择明渠的糙率n值。 4.掌握无压圆管均匀流的水力特性,熟练运用图表法和解析法进行无压圆管均匀流的水力计算。 学习重点和难点 1. 明渠均匀流水力计算; 2. 运用解析法和图表法进行无压圆管流的水力计算,这部分也是本章的难点;,,,第一节 明渠均匀流概述,明渠水流是一种极为常见的水流现象。如天然河道,人工渠道,排水管道中的水流均属明渠水流。明渠水流最主要的特点是具有敞开的液面,液面上各点的相对压强为零。因此,明渠水流也称为无压流。另外明渠水流是在重力作用下运动的,因此也称其为重力流。,一、明渠水流的分类 1.棱柱形形渠道和非棱柱形渠道,图7-1 渠道断面形状,断面形状、尺寸及底坡沿程不变,同时又无弯曲渠道,称为棱柱体渠道。,常见的人工明渠横断面有梯形、矩形和圆形。边坡系数m:反映渠道两侧倾斜程度水力半径: A:断面面积 :湿周,天然河道的横断面常呈不规则形状。,常见的过水断面的水力要素,明渠渠底纵向倾斜的程度称为底坡。以符号i表示,等于渠底线与水平线夹角的正弦,,只有在顺坡明渠中才有可能产生均匀流。,2.明渠的底坡,顺坡: i0,明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。,平坡: i=0,明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。 逆坡: i0,明槽槽底沿程增高者称为反坡或逆坡。,二、明渠均匀流的基本特征及发生条件 过水断面的水深、断面平均流速及其分布都沿程不变的明渠水流称为明渠均匀流。 1. 明渠均匀流基本特征 1)均匀流过水断面的形状、尺寸沿流程不变。 2)过水断面上的流速分布和断面平均流速沿流程不变。 3)总水头线坡度、水面坡度、渠底坡度三者相等, 即水流的总水头线、水面线和渠底线三条线平行。,2.明渠均匀流的发生条件1)水流必须是恒定流,以保证沿程水深、流速不发生变化;2)渠道必须是长直棱柱形渠道,否则在断面发生变化处就会产生非均匀流;3)底坡必须沿程不变,且为正坡。因为只有在正坡渠道中,重力在流动方向上的分力才能与阻力平衡且沿程不变,而平坡与逆坡渠道中是不可能产生均匀流的;4)渠道表面粗糙系数n必须沿程不变。因为n值的变化将引起阻力的变化,从而引起非均匀流。,三.明渠均匀流的计算公式,明渠均匀流的基本计算公式为谢才公式:由于在明渠均匀流中 ,Q:流量(m3/s); v:断面平均流速(m/s);i :明渠的底坡; R:水力半径(m);C:谢才系数( ) ; K:明渠的流量模数(m3/s),它综合反映明渠断面形状、尺寸和粗糙程度对过水能力的影响。,,表7-1 各种人工管渠的n值,第二节 明渠均匀流的水力计算问题,一、水力最佳断面 当渠道的底坡、粗糙系数n及过水断面积一定时,通过流量最大;或当底坡、粗糙系数及流量一定时,所需的过水断面积最小时的断面。,,,水力最优断面就是湿周最小的断面形状。它的优点是:流动阻力最小,过流能力最大,管渠的护壁材料最省,管渠的渗水损失量也最小。,— 不淤允许最小流速,— 不冲允许最大流速,二.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、不淤流速和其它运行管理要求的流速限制。在实际明渠均匀流计算中必须结合工程要求进行校核。,表7-2 明渠最大设计流速,,,三、明渠均匀流的水力计算问题,1、确定管渠的输水能力已知管渠的断面形状、尺寸、粗糙系数及底坡,求该渠道的输水能力,即已知K、i,求Q 2、确定渠道底坡已知渠道的断面尺寸、粗糙系数、流量或流速,求渠道的底坡,即已知K、Q,求管渠底坡i。 3、定管渠的断面尺寸已知管渠的输水能力Q、渠道的底坡、粗糙系数n,以及采用的断面形状(梯形、矩形、圆形等),要求确定断面的尺寸,这是新管渠的断面设计问题。,第三节 无压圆管均匀流的水力计算,无压圆管均匀流是明渠均匀流的一种。所谓无压圆管是指不满流的圆管,城市排水中的污水与雨水管道均属于无压圆管均匀流。,,,第三节 无压圆管均匀流的水力计算,一、无压圆管均匀流的水力特性 1、无压圆管均匀流的水力要素 充满度α:过水断面A:水力半径R:,,,图7-4 无压圆管过水断面,,,,表7-3 不同充满度时无压圆管形管道的水力要素,2.无压圆管流的无因次流量与流速,,,图7-5 和 曲线,,,,,称为无压圆管均匀流的无因次流速, 为无因次流量。式中不代下标和代有下标
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