流体力学7-4.5(40学时)
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1、1水流湍急，水面遇障碍物隆起后流过水流湍急，水面遇障碍物隆起后流过, ,上游水面上游水面不发生壅高，障碍物干扰对上游来流无影响；不发生壅高，障碍物干扰对上游来流无影响； 常见于陡槽、瀑布、险滩中常见于陡槽、瀑布、险滩中水流徐缓，常见于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季水流徐缓，常见于底坡平坦的灌溉渠道、枯水季节的平原河道中节的平原河道中, ,遇到障碍物（如河道中的孤石）遇到障碍物（如河道中的孤石）阻水，则障碍物前水面壅高，逆流上传到较远的阻水，则障碍物前水面壅高，逆流上传到较远的地方地方2v明渠均匀流明渠均匀流（等速流、等深流）（等速流、等深流） 只发生在断面形状尺寸、只发生在断面形状尺寸、i、n沿程
2、不变的长直渠道中沿程不变的长直渠道中（渠道边界不发生变化）（渠道边界不发生变化）v明渠非均匀流（实际情况）明渠非均匀流（实际情况） 当在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破坏了当在渠道中修建了任意形式的水工建筑物，就破坏了明渠均匀流发生的条件，造成了流速、水深的沿程变化，明渠均匀流发生的条件，造成了流速、水深的沿程变化，从而产生明渠非均匀流流动。从而产生明渠非均匀流流动。水工建筑物：桥、涵管、坝、闸、跌水水工建筑物：桥、涵管、坝、闸、跌水自然因素：河渠过流断面、河床底坡自然因素：河渠过流断面、河床底坡非均匀流(壅水曲线）原均匀流水面h0iicM13v水力特点水力特点 明渠均匀流明渠均匀流 i
3、=J=Jp 明渠非均匀流明渠非均匀流 iJ Jpv水面线水面线 明渠均匀流明渠均匀流 直线直线 明渠非均匀流明渠非均匀流 曲线曲线 明渠非均匀流主要讨论的问题：计算各过水明渠非均匀流主要讨论的问题：计算各过水的沿程变化，即分析和计算渠道的水的沿程变化，即分析和计算渠道的水面曲线。面曲线。h0i001-01eEz0-001-01hg22断面单位能量断面单位能量：是指当基准面是指当基准面0-0取在渠底最低高程时，取在渠底最低高程时，单位重量流体所具有的机械能单位重量流体所具有的机械能22pEzgg 将基准面提高将基准面提高z，使其通过该断面最低点，单位重量，使其通过该断面最低点，单位重量液体相对于
4、新基准面液体相对于新基准面01-01的机械能的机械能 22geEzh5断面单位能量断面单位能量(断面比能）断面比能）ve为基准面选在断面最低点的机械能，水流通过该断面为基准面选在断面最低点的机械能，水流通过该断面时运动参数时运动参数v、h所表现出的能量所表现出的能量v对于明渠流动，每个断面都有一个对于明渠流动，每个断面都有一个e值值ve与与E的基准面相差一个渠底位置高度的基准面相差一个渠底位置高度Z(位能位能)，且，且E沿程沿程是同一个基准面，而是同一个基准面，而e是通过各自断面最低点为基准面，是通过各自断面最低点为基准面，沿程基准面不相同沿程基准面不相同vE沿程减少，沿程减少， e沿水流方向
5、可以增大、不变或减小；当沿水流方向可以增大、不变或减小；当de/ds=0时为均匀流时为均匀流v一定条件下一定条件下e=f(h)，e为水深的单值连续函数，故可利用为水深的单值连续函数，故可利用e的变化规律作为对水面曲线分析计算的有效工具。的变化规律作为对水面曲线分析计算的有效工具。 22222QggAehhf h6 棱柱形渠道棱柱形渠道(断面形状尺寸断面形状尺寸一定一定)、Q=c，e随水深而变化随水深而变化，为水深为水深h的单值连续函数的单值连续函数 22222QggAehhf h g22h1hhh=e45h2emin ehce =f (h)基本特征基本特征v 水深很小水深很小h0，则，则e，以
6、横轴为渐近线以横轴为渐近线v 水深很大水深很大h，则，则eh，以以45 线线为渐近线为渐近线v 在在e=f(h)的连续区间内，必有一极小值存在的连续区间内，必有一极小值存在v 曲线分两支：上支曲线分两支：上支de/dh0 随着随着e增加增加h增加增加缓流缓流 下支下支de/dh0 随着随着e增加增加h减少减少急流急流 且相应于任意且相应于任意e 有两个水有两个水h1、h2。7平均水深平均水深 hm=A/B22223mQFrBBAgAgAghgB223111Fr0/QdeBdhgAgAB 缓流缓流Fr1 断面单位能量曲线断面单位能量曲线e的下支的下支临界流临界流 Fr=1 断面单位能量曲线断面单
7、位能量曲线e的最小点的最小点01132FrBgAQdhde8222321cCccCcccccccABgABgAQBgAQFrvcCcBgA v 实际明渠中，水通常是流动的，实际明渠中，水通常是流动的，与微幅与微幅干扰波的波速有关。干扰波的波速有关。22223mQFrBBAgAgAghgB9 定义式定义式mcghBAgFr2222vvvvhm=A/B 梯形断面明渠的梯形断面明渠的平均水深，平均水深， 特征长度特征长度 物理意义物理意义重力惯性力平均势能动能mhgFr5 . 022v急流大势能动能缓流小势能动能 1 1 FrFr v v10Critical depthCritical depth
