明渠均匀流

明渠均匀流 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 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 平坡: i=0，明槽槽底高程沿程不变者称为平坡。 逆坡: i 0，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 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 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。 三、明渠均匀流的水力计算问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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。 第八章 绕流运动概述 第一节 附面层的概念 一、附面层现象 二、附面层的基本特征 三、附面层的分离 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 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 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。 图8-2 平板上的混合附面层 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。 * * * * 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 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。 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 断面形状 水面宽度 B 过 水断面积 A 湿 周 x 水力半径 R *式中 以弧度计 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: i 0，明槽槽底沿程降低者称为正坡或顺坡。 图7-3渠道底坡种类 图7-2渠道底坡定义 表7-1 各种人工管渠的n值 0.025- 0.030 土明渠(包括带草皮) 0.013- 0.014 混凝土管、钢筋混凝土管、水泥沙浆抹面渠道 0.020- 0.025 干砌块石渠道 0.013 陶土管、铸铁管 0.017 浆砌块石渠道 012- 0.014 木槽 0.015 浆砌栓渠道 0.012 石棉水泥管、钢管 n 管渠类别 n 管渠类别 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 4.0 混凝土 4.0 石灰岩或中砂岩 3.0 浆砌块石或浆砌砖 1.2 粘 土 2.0 干砌块石 1.0 亚粘土 1.6 草皮护面 0.8 粗砂或贫 亚粘土 明渠类别 明渠类别 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 0.2500d 0.3926d2 0.50 0.2331d 0.3427d2 0.45 0.2142d 0.2933d2 0.40 0.1935d 0.2449d2 0.35 0.1709d 0.1981d2 0.30 0.1446d 0.1535d2 0.25 0.1206d 0.0118d2 0.20 0.0928d 0.0739d2 0.15 0.0635d 0.0408d2 0.10 0.0325d 0.0147d2 0.05 水力半径 R(m) 过水断面 A(m2) 充满度 α=h/d 0.2500d 0.7853d2 1.00 0.2865d 0.7706d2 0.95 0.2980d 0.7444d2 0.90 0.3033d 0.7114d2 0.85 0.3042d 0.6735d2 0.80 0.3017d 0.6318d2 0.75 0.2962d 0.5871d2 0.70 0.2882d 0.5403d2 0.65 0.2776d 0.4919d2 0.60 0.2649d 0.4425d2 0.55 水力半径 R(m) 过水断面 A(m2) 充满度 α=h/d 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 (α 1)和恰好满流(α=1)时所对应的各流动参量。 当α=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α=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α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α=0.81时达到最大值，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α达到0.95之后，湿周χ(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，α，n，i，求Q) 设计管道坡度(已知Q ，d ，α，n， 求i ) 设计管径(已知Q ，α，n，i，求d ) 2、相关规定 0.65 350,450 0.55 200,300 最大设计充满度 (α=h/d或h/H) 管径或暗渠高 H(mm) 0.75 ? 1000 0.7 500,900 最大设计充满度 (α=h/d或h/H) 管径或暗渠高 H(mm) 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册中，以备查用。 图7-6 非满流钢筋 混凝土圆管计算图 空气流过机翼形成的附面层现象