临界水深的计算.PPT

第六章 明渠恒定非均匀流 6-1 明渠水流的三种流态  明渠水流有和大气接触的自由表面，与有压流不同，具有独特的水流流态，即缓流、临界流和急流三种。一、从现象上认识缓流和急流 6-2 断面比能与临界水深 明渠中水流的流态也可从能量的角度来分析。 一、断面比能、比能曲线 如图所示渐变流， 若以0-0为基准面， 则过水断面上单位 重量液体所具有的 总能量为： 当流量Q和过水断面的形状及尺寸一定时，断面比能仅仅是水深的函数，即Es＝f(h)，以图表示则称为:比能曲线。 例6.1 一矩形断面明渠，流量 Q =30 m3/s，底宽 b = 8 m。要求： (1) 用计算及图解法求渠中临界水深； (2) 计算渠中实际水深 h = 3 m 时，水流的弗劳德数、微波波速，并据此以不同的角度来判别水流的流态。 解：（1）求临界水深 由附图II右下角 hK ~ q 关系图上可查出当 q =3.75 m3/s·m 时，hK = 1.13 m。 （2）当渠中水深 h = 3 m 时 渠中流速 弗劳德数 微波波速 临界流速 例6.2 一梯形断面渠道，底宽 b 为 5 m，边坡系数 m 为 1。 要求：计算通过流量分别为 Q1为10m3/s，Q2为15m3/s，Q3为20m3/s 时的临界水深。 解: (1) 绘制 关系曲线 因 对梯形断面 先假定若干 h ，计算相应的 值，计算成果见表.1 表 6.1 根据表中数值，绘制 （2）计算各级流量下的 值， 并由图中查读临界水深。 当 时，由图查得 当 时，由图查得 当 时，由图查得 6-4 临界水深的一些实例 河道或渠道中如知道临界水深并量取该断面的尺寸，其流量就能简便而精确地估算出来，也可将发生临界水深断面作为控制断面据此来推求上下游水面曲线。 一、当渠道底坡自陡坡变为缓坡时 此时水流会产生 一种水面突然跃起 的特殊水力现象叫 水跃。水跃自水深 小于临界水深跃入 大于临界水深，其间必经过临界水深。 二、当渠道底坡自缓坡变为陡坡时 渠道中均匀流由缓流变为急流时，水流会产生水面降落现象，叫做水跌。 三、当缓坡渠道末端自由跌落时 四、当水流自水库进入陡坡渠道时 水库中水流为缓流，而陡坡渠道中均匀流为急流，水流由缓流过渡到急流时，必经过临界水深。 续上 例6.5 试讨论分析下图所示两段断面尺寸及糙率相同的长直棱柱体明渠，由于底坡变化所引起渠中非均匀流水面变化形式。已知上游及下游渠道底坡均为缓坡，但 i2 > i1。 解：根据题意，上、下游渠道均为断面尺寸和糙率相同的长直棱柱体明渠，由于有坡度的变化，将在底坡转变断面上游或下游（或者上、下游同时）相当长范围内引起非均匀流动。 为分析渠中水面变化，首先分别画出上、下游渠道的K－K线及N－N线。由于上、下游渠道断面尺寸相同，故两段渠道的临界水深均相等。而上、下游渠道底坡不等，故正常水深则不等，因i1 > i2 ，故h01 > h02 ，下游渠道的N－N线低于上游渠道的N－N线。 因渠道很长，在上游无限远处应为均匀流，其水深为正常水深h01 ；下游无限远处亦为均匀流，其水深为正常水深h02。 由上游较大的水深h01 要转变到下游较小的水深h02，中间必经历一段降落的过程。水面降落有三种可能： (1) 上游渠中不降，全在下游渠中降落； (2) 完全在上游渠中降落，下游渠中不降落； (3) 在上、下游渠中分别都降落一部分。 在上述三种可能情况中，若按照第一种或第三种方式降落，那么必然会出现下游渠道中 a 区发生降水