水力学基本知识PPT课件.ppt
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1、第第2章章 水力学基本知识水力学基本知识2-1明渠均匀流明渠均匀流 明渠均匀流是流体具有自由表面的流动,明渠均匀流是流体具有自由表面的流动,所以这种流动的相对压强为零,是无压流所以这种流动的相对压强为零,是无压流动。常见的明渠流现象,如天然河道、人动。常见的明渠流现象,如天然河道、人工渠道的水流、屋面天沟的排水、城市排工渠道的水流、屋面天沟的排水、城市排水管道中的水流等等。水管道中的水流等等。渠道底坡或比降渠道底坡或比降 明渠渠底沿程单位长度的降低值称为底明渠渠底沿程单位长度的降低值称为底坡坡i,一般底坡都很小一般底坡都很小底坡可分为底坡可分为:顺坡顺坡(i0),平坡平坡(i=0),逆坡逆坡(
2、i0)常见的断面形状常见的断面形状过流断面的几何要素过流断面的几何要素底宽底宽 b,水深水深 h,边坡系数边坡系数 m(表示边坡倾斜程表示边坡倾斜程度的系数度的系数)水面宽水面宽过流断面面积过流断面面积 湿周湿周 水力半径水力半径 明渠均匀流的形成条件明渠均匀流的形成条件 1.渠底必须是顺坡,平坡和逆坡渠道中不可渠底必须是顺坡,平坡和逆坡渠道中不可能产生均匀流。能产生均匀流。2.渠道必须是棱柱形长直渠道;因为非棱渠道必须是棱柱形长直渠道;因为非棱柱形渠道会导致非均匀流。柱形渠道会导致非均匀流。3.底坡及粗糙系数沿程不变,且渠中无弯底坡及粗糙系数沿程不变,且渠中无弯道、阀门、滚水坝等障碍物。道、
3、阀门、滚水坝等障碍物。4.水流为恒定流,流量沿程不变。水流为恒定流,流量沿程不变。明渠均匀流明渠均匀流计算式计算式 在明渠均匀流计算中,主要应用谢才公式、在明渠均匀流计算中,主要应用谢才公式、曼宁公式和连续性方程。曼宁公式和连续性方程。式中,式中,K流量模数,流量模数,C谢才系数,谢才系数,n为粗糙系为粗糙系数,它的大小综合反映了河、渠道面对水流阻力数,它的大小综合反映了河、渠道面对水流阻力的大小,是明渠水力计算的主要因素之一。的大小,是明渠水力计算的主要因素之一。无压圆涵均匀流的水力计算无压圆涵均匀流的水力计算 无压圆涵均匀流的特征无压圆涵均匀流的特征 所谓无压圆涵,是指不满流的圆形断面管道
4、在环境所谓无压圆涵,是指不满流的圆形断面管道。在环境工程和给排水工程中不满流的圆形管道,诸如城市排水管工程和给排水工程中不满流的圆形管道,诸如城市排水管道的污水管道、雨水管道及无压涵管中的流动,因为这些道的污水管道、雨水管道及无压涵管中的流动,因为这些管道的排水流量时有变化,为避免在流量增大时,管道承管道的排水流量时有变化,为避免在流量增大时,管道承压,污水涌出排污口,污染环境,所以排水管道通常为非压,污水涌出排污口,污染环境,所以排水管道通常为非满流管流,此种管道中的流动具有自由液面,无压圆管均满流管流,此种管道中的流动具有自由液面,无压圆管均匀流是一种特定断面形式的明渠流动匀流是一种特定
5、断面形式的明渠流动,它的形成条件、水它的形成条件、水力特征和明渠一样。所以常用明渠均匀流的基本公式进行力特征和明渠一样。所以常用明渠均匀流的基本公式进行计算。计算。过流断面的几何要素过流断面的几何要素 d-管径管径 h-水深水深 -充满度充满度,=h/d -充满角充满角,水深水深h所对应的圆心角。所对应的圆心角。由几何关系可得水力要素导出量:由几何关系可得水力要素导出量:过水面积过水面积 湿周湿周 水力半径水力半径流速流速 流量流量 输水性能最优充满度输水性能最优充满度 从上式可知从上式可知,在水深很小时在水深很小时,水深增加水深增加,水面增水面增宽宽,过流断面面积增加很快过流断面面积增加很快
6、接近管轴处增加最快,接近管轴处增加最快,水深超过半管后,水深增加,水面宽减小,过流水深超过半管后,水深增加,水面宽减小,过流断面面积增加减慢,在满流前增加最慢。湿周随断面面积增加减慢,在满流前增加最慢。湿周随水深的增加与过流断面面积不同,接近管轴处增水深的增加与过流断面面积不同,接近管轴处增加最慢,在满流前增加最快,由此可知,在满流加最慢,在满流前增加最快,由此可知,在满流前,输水能力达到最大值,相应的充满度为最优前,输水能力达到最大值,相应的充满度为最优充满度。充满度。设以设以 分别表示满流时的流量、流速、谢才分别表示满流时的流量、流速、谢才系数、水力半径,不同充满度的相应值用系数、水力半
7、径,不同充满度的相应值用 表示。表示。则令则令无量纲参数的水力计算图无量纲参数的水力计算图 对应不同的对应不同的值值,有不同的有不同的A,B值值,把它们的关系绘制出关系曲线,把它们的关系绘制出关系曲线,如下图所示。如下图所示。从上图可见:当从上图可见:当 时,时,则此时通过的流量最,则此时通过的流量最大,为恰好满管流时流量的大,为恰好满管流时流量的1.087倍。当倍。当 时,时,则此时通过的流速最大,为恰好满管流时流速的则此时通过的流速最大,为恰好满管流时流速的1.16倍。倍。无压圆管的水力计算可分为三类问题无压圆管的水力计算可分为三类问题:1.验算输水能力验算输水能力 2.确定管道底坡确定管
8、道底坡 3.计算管道直径计算管道直径 在进行无压管道的水力计算时,还要遵从一些有关规定:在进行无压管道的水力计算时,还要遵从一些有关规定:1.污水管道应按不满流计算,其最大设计充满度按下表采用。污水管道应按不满流计算,其最大设计充满度按下表采用。2.雨水管道和合流应按满流管计算。雨水管道和合流应按满流管计算。3.排水管的最小设计流速:对污水管道排水管的最小设计流速:对污水管道(在设计充满度时在设计充满度时),当管径当管径d500mm时,为时,为0.7m/s;当管径;当管径d500mm时,为时,为0.8m/s。补例补例1 某圆形污水管,管径某圆形污水管,管径d=600mm,管壁,管壁粗糙系数粗糙
9、系数n=0.014管道底坡管道底坡i=0.0024,求最,求最大设计充满度时的流速和流量。大设计充满度时的流速和流量。补例补例2 圆形管道的管径圆形管道的管径d=1m,底坡,底坡i=0.0036,粗糙系数粗糙系数n=0.013,要求水深,要求水深h=0.7m时的时的流量和流速。流量和流速。复式断面渠道的水力计算复式断面渠道的水力计算 由于地形、地质条件限制和施工的要求,渠道断面形由于地形、地质条件限制和施工的要求,渠道断面形式比较复杂,需要将断面设计成两个或两个以上单式断面式比较复杂,需要将断面设计成两个或两个以上单式断面组成的复式断面,如左图所示为两个梯形断面组合。而天组成的复式断面,如左图
10、所示为两个梯形断面组合。而天然河床断面往往由于不规则,也可简化成复式断面,如右然河床断面往往由于不规则,也可简化成复式断面,如右图所示为不规则曲线的河床,可近似用两个矩形来表示。图所示为不规则曲线的河床,可近似用两个矩形来表示。在进行复式断面明渠均匀流的水力计算时,常将复式在进行复式断面明渠均匀流的水力计算时,常将复式断面先分割成若干个单式断面,然后分别对这些单式断面断面先分割成若干个单式断面,然后分别对这些单式断面作均匀流计算,然后再进行叠加,得到整个复式断面流量。作均匀流计算,然后再进行叠加,得到整个复式断面流量。如上右图的复式断面,其总流量的计算为:如上右图的复式断面,其总流量的计算为:
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