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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、均匀流的水力要素 充满度： 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“0”的各量分别表示圆管内不满流 （1）和恰好满流（=1）时所对应的各流动参量。,当=0.95时，,此时通过的流量最大，为恰好满流时流量的1.087倍,当=0.81时，,此时管中的流速达到最大，为恰好满流时的1.16倍。,最大流量：,最大流速：,原因： 随着充满度的增大，圆管中过流断面面积与湿周增加的速率不同。水力半径R在=0.81时达到最大
8、值，根据谢才公式可以知道其流速也达到最大值；其后，虽然水力半径R有所减小，但是过水断面面积A继续增大，所以流量继续增大；当达到0.95之后，湿周（阻力）增加的速率超过了A的增加速率，从而使流量有所降低。,二.无压圆管均匀流的水力计算,1、计算类型 校核已建成管道的过水能力（已知d，n，i，求Q） 设计管道坡度（已知Q ，d ，n，求i ） 设计管径（已知Q ，n，i，求d ）,2、相关规定,3、无压圆管均匀流的水力计算方法,1）解析法。即由明渠均匀流基本公式 直接求解。,2）图表法。为方便计算，在实际工程中常依据明渠均匀流 基本公式中 和 的函数关系制成计算图或计算表，列入相关专业的水力计算手
9、册中，以备查用。,图7-6 非满流钢筋混凝土圆管计算图,第八章 绕流运动概述,第一节 附面层的概念 一、附面层现象,空气流过机翼形成的附面层现象,二、附面层的基本特征,图8-2 平板上的混合附面层,三、附面层的分离,图8-3 粘性流体流过曲面物体,加速降压区,减速升压区,不会发生边界层分离的区域：,可能发生边界层分离的区域：,四、曲面边界层的分离现象卡门涡街,绕过圆柱体的流动,卡门涡街,脱落频率：,斯特劳哈尔数,第二节 绕流阻力与升力,一、绕流阻力,与物体运动的方向相反，起着阻碍物体运动作用的作用力，称为阻力。,1.摩擦阻力,流体绕过物体流动所引起的切向应力造成的阻力。,2.压差阻力,流体绕过
10、物体流动所引起的压强差造成的阻力。,由粘性间接作用的结果。,与物体的形状有很大关系。,第二节 绕流阻力与升力,二、绕流升力 当流体绕流的物体为非对称形，或来流方向与物体的对称轴不平行时（如图所示），都会形成物体上部流速大于下部流速的流动，使物体的上下表面受到不同的压强作用，从而在垂直于来流速度的方向上产生向上的作用力，这就是绕流升力。,三、悬浮速度 在工程中，通常要碰到煤粉和灰尘微粒在空气、烟气或水流中运动的问题。这些固体微粒在流体的绕流阻力、浮力和自身重力的作用下会处于不同的运动状态。上升流体的绕流阻力和浮力会使微粒向上运动，自身重力会使微粒向下运动，当阻力、浮力与重力达到平衡时，微粒将处于平衡状态，即悬浮在空间。使微粒处于悬浮状态的气流流速称为悬浮速度。,