词条 | 明渠恒定非均匀流 |
释义 | mingqu hengding feijunyunliu 明渠恒定非均匀流(卷名:水利) steady non-uniform flow in open channel 流速不随时间变化,但其大小和方向或二者之一沿程变化的明渠水流。又称明渠恒定变速流,是常见的水流形态。根据流速沿程变化的缓急程度又分为渐变流和急变流。流速(包括方向和大小)沿程变化缓慢的为渐变流,其流线特征是近乎平行直线;流速沿程变化急剧的为急变流,其流线曲率或流线间夹角较大。 明渠恒定渐变流 问题可以归结为求解某一流量时水位 z或水深h与距离s的关系。表示这一关系的曲线称为水面曲线。对于几何特性不同的明渠,分析水面曲线的方法及所得结论的详尽程度差别甚大。水面曲线的研究内容概括起来包括曲线形状分析和坐标计算两部分。对于最简单情况即底坡、糙率、断面形状和尺寸均沿程不变的棱柱形渠道,水面曲线研究成果最为成熟。利用水流能量方程可以导出水深对距离的导数为: 式中i为渠道底坡;J为某断面的水力坡度,可近似地按谢才公式计算;Fr为某断面的弗劳德数(见缓流和急流)。在流量、渠道断面尺寸及糙率已知的条件下,J和Fr均为水深h的函数。利用上式可以对正坡(i0。又按实际底坡i与临界底坡ic的相对大小分为缓坡iic、陡坡iic及临界坡i=ic三种)、平坡(i=0)及负坡(i0)上不同水深区域(以均匀流水深线N-N和临界水深线C-C为划分界限)内发生的水面曲线进行分析,共得12条曲线(图1)。至于形成这些水面曲线的具体原因可有多种,例如在缓坡渠道上建闸,如闸上游水位超过N-N线便发生M1型曲线,而下游闸孔泄流后接着发生M3型曲线(图2)。 水面曲线的计算方法最基本的是分段法。该法将整个流动分为若干流段,对每一流段直接应用能量方程。对于天然河道,分段法的公式为: 式中z为水位;v为断面平均流速;z及v的下标u和d分别代表上、下游断面;Q为流量;噖为流段平均流量模数,即噖=(Ku+Kd)/2,这里,C为谢才系数(见谢才公式),A为过水面积,R为水力半径(见明渠恒定均匀流);Δs为流段长度;α为动能校正系数;ζ为流段局部水头损失系数;g为重力加速度。 对于人工渠道,无论是否棱柱形均可用下式计算: 式中称为断面单位能量;嘊为流段平均水力坡度。 明渠恒定急变流 由局部渠段的边界形状(包括底坡)剧变或建筑物的阻遏作用所引起,影响范围较短。有的流动变化主要表现在沿程的铅直纵剖面上,例如水跃、跌水等;有的则主要表现在水平面上,例如轴线弯折的渠段水流、断面尺寸突变(扩宽或收缩)处的水流。有时还产生旋涡区,流态甚为复杂。明渠急变流研究的内容因具体情况而异,例如弯道水流研究横向比降及断面环流,如果是急流还涉及冲击波现象。泄水建筑物引起的急变流主要是研究泄水能力与建筑物尺寸、形式的关系以及流态的演变过程等,这部分内容已独立成为水力学中堰流、孔口出流、水流衔接与消能等专题。 参考书目 清华大学水力学教研室编:《水力学》,下册,人民教育出版社,北京,1980。 |
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