Open Channel Hydraulics
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Open Channel Hydraulics. 水力学2. 课程内容与特点. 明渠均匀流与非均匀渐变流 明渠急变流 闸堰过流 明渠非恒定流 泄洪消能 渗流. 主要 参考文献. 1 明槽急变流 ,余常昭 编著,清华大学出版社, 1999 , TV131.3 Y749 2 明渠不恒定流 ,第一卷,林秉南译,水利电力出版社, 1987 , TV133/2 3 计算水力学 ,周雪漪编著,清华大学出版社, 1994 , TV131.4 2800

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Presentation Transcript

Open Channel Hydraulics

水力学2

课程内容与特点

  • 明渠均匀流与非均匀渐变流

  • 明渠急变流

  • 闸堰过流

  • 明渠非恒定流

  • 泄洪消能

  • 渗流


主要参考文献

1 明槽急变流,余常昭编著,清华大学出版社,1999,TV131.3 Y749

2 明渠不恒定流,第一卷,林秉南译,水利电力出版社,1987,TV133/2

3 计算水力学,周雪漪编著,清华大学出版社,1994,TV131.4 2800

4 流体力学中的有限元方法,章本照编著,机械工业出版社,1986,O35 34

5 流体力学的有限元分析,『美』T.J.Chung, 张二骏等译,电力工业出版社,1980,O35 11

6 计算浅水动力学—有限体积法的应用,谭维炎著,清华大学出版社,1998,TV139.2, T138

7 Frank M.white, Fluid Mechanics, 4th ed. McGarw-Hill, 1999

8 Sergio Montes, Hydraulics of Open Channel Flow, ASCE Press, 1998, 清华大学图书馆书号TV133, FM77

9 M.Hanif Chaudhry, Open-Channel Flow, 1993 by Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey, 07632. 清华大学图书馆书号TV131.2, FC49

其余参考书见网络学堂


作业: 20%

考核

方法

常规实验课:10%

期中测验:20%

平时成绩:20%

期末总结: 30%

  • 成绩评定

设计型试验:

根据试验水平、创新性、试验结果,在总成绩上加1~10分。每组1~3人,先进行资格选拔,学生先提出试验设想,计划。在5月末提出试验报告。


  • 几点说明:

  • 授课教师 江春波 TEL:6278-3704 6277-2065

    [email protected]旧水207室

  • 课件见网络学堂 水力学2

  • 教学日历与参考书 见网络学堂

  • 实验课与李春华老师联系 旧水一楼

    TEL: 6278-2297 6278-5159

  • 教材 水力学2 清华大学编著

  • 批改作业 泌勇民 TEL: 6278-2297 6278-9138

    每周一之前由课代表收齐作业,及时上交


第一章

明渠均匀流与非均匀渐变流

作业:P70

13-2 13-6 13-7 13-14 13-18


明槽水流的水力特征

明槽水流的计算任务

明槽槽身及明槽水流的类型

第一节 概 述


A

Q

Cross section A-A

A

A

Q

Cross section A-A

A

一. 明槽水流的水力特征

有压流动

明渠流动


1.存在自由水面

2.重力起主导作用

佛汝德数 (Froude Number)

3.水面不受固体边界的限制

A

Q

Cross section A-A

A

一. 明槽水流的水力特征

Re、 Fr

的物理意义?


1.过水能力问题 (校核时求Q)

2. 设计问题:

求 i

求h、b (已知Q、i 、n、m)梯形和矩形断面,可用计算、查图表法

3. 求水面变化(水面线计算,不讲)

二.明槽水流的计算任务


棱柱型槽:断面形状和尺寸沿程不变的明槽

三. 明槽槽身及明槽水流的类型

明槽槽身形式分类

非棱柱型槽:断面形状和尺寸沿程变化的明槽



陡坡

缓坡

临界底坡

1

  • 正坡

  • 平坡

  • 反坡

L

2

V

1

h

i>0

2

z1

z2

.底 坡.


最大允许流速: 防止冲刷破坏

H>0.4m

H< 1.0m 时

  • 最小允许流速: 防止泥沙淤积

雨水明渠 0.4 m/s

雨水管道 0.75 m/s

. 渠道允许流速 .

( P12页 表13-2 )

砂质粘土 : 1.0 m/s

粘 土 : 1.2 m/s

草皮护坡 : 1.6 m/s

干砌块石 : 2.0 m/s


四.N-S方程的地位


明槽恒定均匀流的特征及其形成条件

明槽均匀流的基本公式

——连续方程 和 谢才公式

明槽恒定均匀流的水力计算

明槽恒定均匀流的水力计算的几个问题

第二节明槽恒定均匀流


  • h ,v, A流速u分布沿程不变;

  • 匀速直线运动 。

一.明槽恒定均匀流的特征及其形成条件

1.明槽均匀流的水力特征


1

L

2

hf

V

1

h

i>0

2

z1

z2

一.明槽恒定均匀流的特征及其形成条件

2.均匀流动形成的条件

① 恒定流

② Q沿程不变

③ 为棱柱型槽

④ i和 n沿程不变

⑤ i > 0


1)

2)

二.明槽均匀流的基本公式

  • 基本公式


h

z

Δx

θ

圆管流动时的

切应力表达式?

.谢才公式.

  • 由力平衡关系

  • 由量纲分析


谢才系数

量 纲

流 量

流量模数

.谢才公式.

谢才公式

(运动方程)


恒定均匀流(非均匀渐变流)

.谢才公式.

?

  • 谢才公式适用条件 :

  • 阻力平方区

  • i > 0

  • 单位 m.s


B.巴甫洛夫斯基公式:

.谢才公式.

  • 谢才系数的确定 :

A.曼宁公式


天然河道中影响糙率 n值的因素

① 河床表面粗糙

② 断面的不规则、平弯情况、

滩地交叉、河道阻碍情况

③ 河堤沙坡影响随水深变化

糙率 n

糙率 n值的确定


三. 明槽恒定均匀流的水力计算

  • 校核过流能力问题 Q

  • 设计渠槽的 底坡 i

  • 设计渠槽断面尺寸 b h


校核渠道输水能力 已知 m b h n i,求Q

面 积

mh

湿 周

h

1

m

水力半径

b

流量

例 - 1


(二)设计渠槽的底坡i

已知 m b h n Q,求i

例-2


(三) 设计渠槽断面尺寸

已知 Q m n i,求b h

例-3

1 已知正常水深h0 ,求底宽b

2 已知底宽b , 求正常水深h0

3 根据流量大小,选定宽深比 b/h0

4 根据允许流速,选定 b 和 h


已知 m=2.0,n=0.025,i=1/2500,h0=1.25,Q=5m3/s

例-4

假设b,求出k, 迭代到 k=k0


面 积

湿 周

水力半径

d

r

h

流量

圆形断面的水力计算 -自学


1 水力最优断面 (了解)

(best hydraulic section)

2 渠道中的允许流速问题(了解)

四. 明槽恒定均匀流的水力计算的几个问题

3. 断面周界上粗糙程度n 不同的水力计算(了解)

4. 复式断面渠道的水力计算 (了解)


流量

面积A一定

湿周 最小

圆:面积

一定,周

长最小

水力最优断面

水力最优断面: 过流断面的面积糙率 底坡一定,

通过的流量最大的断面形状

面积 糙率 底坡一定, 流量最大,要求R 最大


mh

1

h

m

b

矩形: h=b/2

水力最优断面 (梯形) –了解成都

面积:

湿周:


2 渠道中的允许流速问题(了解)

3. 断面周界上粗糙程度n 不同的水力计算(了解)

四. 明槽恒定均匀流的水力计算的几个问题

4. 复式断面渠道的水力计算 (了解)

  • 何为复式断面

  • 特点:水力要素为h 的非连续函数

  • 使用条件

  • 优点


划分区域的原则:

1.分为n 部分,每一部分均为规则断面槽;

2. 每一部分自成区域(p的计算方法);

3. 每一部分都符合均匀流计算公式;

4.

复式断面渠道的水力计算

处理这类明槽的方法


1. 缓流、急流、临界流

(Subcritical、Supercritical、Critical flows )

2. 微波流速C、临界流速

3. 流态判别数——佛汝德数Fr

4. 断面单位能量、比能E、临界水深

5. 临界底坡(Critical Slope)

第三节 明槽水流的两种流动状态


c

c

静止水 V=0

一. 缓流、急流、临界流


C-v

C+v

一. 缓流、急流、临界流

  • 缓流

0<V<C Fr<1


C-v

C+v

一. 缓流、急流、临界流

  • 急流

V>C Fr>1


C-v

C+v

一. 缓流、急流、临界流

  • 临界流

V=C Fr=1


B

N

c

ΔA

Δh

Δh

h

h

2

N

1

Δh

v2

v1=c

0

0

1

2

二. 微波流速、临界流速

a.

b.

A

c.


二. 微波流速、临界流速


能量方程化为

微波的 很小,可令 ,代入上式得静水中干扰微波波速C

  • 矩形断面

二. 微波流速、临界流速


  • 矩 形 断 面

三. 流态判别数

有压管流的

雷诺数的

物理意义?

  • 佛汝德数 Fr (Froude Number)


断面单位比能

N

h

Es

h2

Q2

(2)

Q1

h2

c

hc

(1)

h1

h1

0

0

O

Es

Es1

四. 断面单位比能、临界水深

Q

什么是正常水深 ?

什么是临界水深 ?


临界水深

  • 任意断面临界水深

  • 矩形断面明渠 临界水深


曼宁公式

小 结

  • 明渠水流的基本方程

连续方程 谢才公式


流 量

面积A一定

湿周 最小

小 结

  • 水力最优断面

  • 明渠均匀流的水力计算问题

  • 校核过流能力问题 Q

  • 设计渠槽的 底坡 i

  • 设计渠槽断面尺寸 b h


Fr>1, 急流

Fr=1, 临界

Fr<1, 缓流

小 结

  • 流态判定:急流 缓流 临界流

佛汝德数

物理意义


小 结

  • 断面单位比能

  • 任意断面明渠 临界水深

  • 矩形断面明渠 临界水深


Fr>1, 急流

Fr<1, 缓流

Fr=1, 临界流

v>c, 急流

v<c, 缓流

v=c, 临界流

dEs / dh < 0, 急流

dEs / dh >0, 缓流

dEs / dh =0, 临界流

h<2 Eu, 急流

h>2 Eu, 缓流

h=2 Eu, 临界流

讨论:到目前为止流态判定有几种方法

1 弗劳德数

流速与微波波速的关系

2 比能随水深的变化

3 单位势能与单位动能的关系


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