《流体力学》课程教学资源（PPT讲义课件）第九章 明渠流

第九章明流 明渠:是一种具有自由表面水流的渠道包括人工修 建的过水渠道和自然形成的天然河道以及未 流的 管道。 明渠水流与有压管管流主要区别在于其过水断面部 分是固体边界,部分是以大气为边界,水面上作用着大 气压强,其相对压强为零,因此明渠水流又称为无压 下面介绍的是明渠流的基本理论和计算方法

第九章 明渠流 明渠: 是一种具有自由表面水流的渠道，包括人工修 建的过水渠道和自然形成的天然河道以及未充满水流的 管道。 明渠水流与有压管管流主要区别在于其过水断面部 分是固体边界，部分是以大气为边界，水面上作用着大 气压强，其相对压强为零，因此明渠水流又称为无压流 动。 下面介绍的是明渠流的基本理论和计算方法

第一节明渠的几何特性 明渠流随着边界条件的不同可以形成各种水面构成 各种各样的流动。渠道本身是明渠边界条件的重要组成 部分,它的几何形状对明渠流的影响很大。 明渠的横断面、过水断面和底壞 1.横断面:由过渠道中心线垂直的铅垂面与渠 壁的交线构成。对于人工明渠,为便于施工构造要求简 单又要符合水流特点,一般做成对称断面。天然河道的 横断面多为不规则的形状,而且一条河道各处横断面的 形状、尺寸往往不同。流量小水位低时,水流集中在主 槽中;流量增大时,水位上涨漫至滩地,横断面由主槽和 滩地两部分构成。(见下图)

第一节 明渠的几何特性 明渠流随着边界条件的不同可以形成各种水面构成 各种各样的流动。渠道本身是明渠边界条件的重要组成 部分，它的几何形状对明渠流的影响很大。 一 明渠的横断面、过水断面和底坡 1. 横断面: 由过渠道中心线垂直的铅垂面与渠底及渠 壁的交线构成。对于人工明渠，为便于施工构造要求简 单又要符合水流特点，一般做成对称断面。天然河道的 横断面多为不规则的形状，而且一条河道各处横断面的 形状、尺寸往往不同。流量小水位低时，水流集中在主 槽中;流量增大时，水位上涨漫至滩地，横断面由主槽和 滩地两部分构成。（见下图）

B h o h2 边滩主擅边减 2.过水断面:指与流向相垂直的断面,除了 轮廓外还包括水面轮廓。一般来讲,过水断面与渠底 平面相垂直,与铅垂面之间形成夹角0

2. 过水断面: 指与流向相垂直的断面，除了包括渠道 轮廓外还包括水面轮廓。一般来讲，过水断面与渠底 平面相垂直，与铅垂面之间形成夹角θ

3.底坡:明渠渠底一般沿纵向向下游倾斜,渠底与明 渠水流纵剖面的交线称为渠底线,渠底线与水平线的 夹角0的正弦称为明渠的底坡,以示。 =sin e 通常,大多数渠道的底坡很小,当时a<6,s1,(I断 面之间的水平距离) 天然河道的渠底线是一条起伏不平的曲线,很难 用一个底坡值表示,用某一河段的平均底坡来说明河 床的纵向变化趋势。为了便于计算和 取铂 向的过水断面代替垂直于流向的过水断

3. 底坡: 明渠渠底一般沿纵向向下游倾斜，渠底与明 渠水流纵剖面的交线称为渠底线，渠底线与水平线的 夹角θ的正弦称为明渠的底坡，以i表示。 通常，大多数渠道的底坡很小，当时 ， ,( l两断 面之间的水平距离) 天然河道的渠底线是一条起伏不平的曲线，很难 用一个底坡值表示，用某一河段的平均底坡来说明河 床的纵向变化趋势。为了便于计算和测量，取铅垂方 向的过水断面代替垂直于流向的过水断面。 ' 1 2 sin l z z i − =  = o   6 ' l  l

4.常用的几何特性参数 1)水深一过水断面上渠底最低点到水面的距离,用h 表示。当0不大时,用h代替h,可以铅直量取 2)边坡系数一表示边坡的倾斜程度,用边坡倾角a的 余切=m来表示边坡系数,m=0,边城线为铅垂线。 (3)以梯形断面为例 过水断面面积 A=(b+ mb)h 湿周 x=b+2h 1+m 水力半径 R A(6+mb)h x b+2hv1+ B 77 水面宽 mh→ B=6+2mh

4 . 常用的几何特性参数 (1) 水深—过水断面上渠底最低点到水面的距离，用h’ 表示。当θ不大时，用h 代替h ’ ，可以铅直量取。 (2) 边坡系数—表示边坡的倾斜程度，用边坡倾角α的 余切ctg α=m 来表示边坡系数，m=0，边坡线为铅垂线。 (3) 以梯形断面为例 过水断面面积 : 湿 周 : 水 力 半 径 : 水 面 宽 : A = (b + mb)h 2  = b + 2h 1+ m 2 2 1 ( ) b h m A b mb h R + + + = =  B = b + 2mh

环境工程及给排水工程中,还常用圆形断面的明渠流, 如污水管道、雨水管道等 定义无量纲系数a=h为充满度,0为充满角。 过水断面面积:A=4(-sm0) B 湿 周 水力半径:R==4-m0 h 水面宽

环境工程及给排水工程中，还常用圆形断面的明渠流， 如污水管道、雨水管道等。 定义无量纲系数 为充满度，θ为充满角。 过水断面面积 : 湿 周 : 水 力 半 径 : 水 面 宽 : d h  = ( sin ) 8 2 =  −  d A   2 d = ) sin (1 4    = = − A d R 2 sin  B = d

第二节明渠的分类 根据过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水 流运动的影响,对明渠分为以下几类。 棱柱体渠道和非棱柱体渠道 按渠道横截面形状和尺寸沿流程是否变化来划分。 凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道称为棱柱体渠 道,反之称为非棱柱体渠道。棱柱体渠道的过水断面面 积A仅是水深h的函数,即4=f(排非棱柱体渠道的过水 断面面积A为水深h及流程S的函数,即4=f(b3S)

第二节 明渠的分类 根据过水断面形状、尺寸与底坡的变化对明渠水 流运动的影响，对明渠分为以下几类。 一 棱柱体渠道和非棱柱体渠道 按渠道横截面形状和尺寸沿流程是否变化来划分。 凡是断面形状及尺寸沿程不变的长直渠道称为棱柱体渠 道，反之称为非棱柱体渠道。棱柱体渠道的过水断面面 积A仅是水深h的函数，即 ; 非棱柱体渠道的过水 断面面积A为水深h及流程S的函数，即 。 A = f (h) A = f (h, S)

三正坡、平坡和逆渠道 按沿程底坡θ值分类, 正玻顺坡)i>0渠底沿流程降低 平坡i=0渠底沿流程不变 逆坡负坡)i0 1<0 三规则断面和不规则断面渠道 按渠道横断面形状的不同划分。规则断面渠道的横 断面的各水力要素(AxRB)在水深h的全部变化范围内, 均为水深h的连续函数的渠道,如矩形、梯形、三角形 圆形等横断面的渠道。而不规则断面渠道的横断面的各 水力要素不是水深h的连续函数

二 正坡、平坡和逆坡渠道 按沿程底坡θ值分类, 三 规则断面和不规则断面渠道 按渠道横断面形状的不同划分。规则断面渠道的横 断面的各水力要素(A,χ,R,B)在水深h的全部变化范围内， 均为水深h的连续函数的渠道，如矩形、梯形、三角形、 圆形等横断面的渠道。而不规则断面渠道的横断面的各 水力要素不是水深h的连续函数。       =  逆 坡 负 坡 渠底沿流程升高 平 坡 渠底沿流程不变 正 坡 顺 坡 渠底沿流程降低 ( ) 0 0 ( ) 0 i i i

第三节明渠均勻流 定义:水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程 不变的流动称为明渠均匀流,也叫做明渠等速流,是明 渠水流的最简单的形式。 明渠均匀流的特征及发生条件 如图,对任意两断面建立伯努利方程,由明渠均匀 流的定义,得到 即在一定距离上水流单位势能 的减少怡好等于克服沿程阻力 的能量损失。水力坡度沿程不 变,将上式两端同除以两断面 间长度,可得到明渠均匀流的 水力坡度J、水面坡度和渠底底坡三者相等

第三节 明渠均匀流 定义: 水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程 不变的流动称为明渠均匀流，也叫做明渠等速流，是明 渠水流的最简单的形式。 一 明渠均匀流的特征及发生条件 如图，对任意两断面建立伯努利方程，由明渠均匀 流的定义，得到 即在一定距离上水流单位势能 的减少恰好等于克服沿程阻力 的能量损失。水力坡度沿程不 变，将上式两端同除以两断面 间长度，可得到明渠均匀流的 水力坡度J、水面坡度Jz和渠底底坡i三者相等， f z − z = h 1 2 J J i = z =

明渠均匀流的水力特性: ①水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程不变 ②在一定距离上水流单位势能的减少怡好等于克服沿程 阻力的能量损失 ③明渠均匀流的水力坡度J、水面坡度J和渠底底坡i三者 相等,J=J=i 形成条件: ①水流是恒定的,流量沿程不变,沿程不能有支流的流 入和流出 ②只能发生在渠底底坡和粗糙系数n不变的棱柱体人工渠 道中,而且i>0 ③渠道沿程不能有建筑物对水流形成干扰

明渠均匀流的水力特性: ①水深、断面平均流速、断面流速分布等沿程不变 ②在一定距离上水流单位势能的减少恰好等于克服沿程 阻力的能量损失 ③明渠均匀流的水力坡度J、水面坡度Jz和渠底底坡i三者 相等， 形成条件: ①水流是恒定的，流量沿程不变，沿程不能有支流的流 入和流出 ②只能发生在渠底底坡i和粗糙系数n不变的棱柱体人工渠 道中，而且 ③渠道沿程不能有建筑物对水流形成干扰 J J i = z = i  0