1、2考试时间：考试时间：2011-12-13（周二）上午（周二）上午9：0011：00考试地点：考试地点：5-206（船一、二）；（船一、二）； 5-208（船三、四）（船三、四）答疑时间：答疑时间：第第16周周二、五上午周周二、五上午8：00-9：30（23-101）选择题选择题填空题填空题画图画图简答题简答题计算题计算题l 关于关于试卷题型试卷题型3l 关于画图关于画图总水头线、测压管水头线图总水头线、测压管水头线图 -定性升降定性升降水面曲线图水面曲线图 -标出标出N-N线，线，K-K线，定性绘水面线，定性绘水面线，说明哪一区，哪一型线，说明哪一区，哪一型N2N2h02b0b2变坡棱柱体渠
2、道非均匀渐变流水面线的定性分析变坡棱柱体渠道非均匀渐变流水面线的定性分析i1=0i2ikKKhkL6l 关于简答题关于简答题雷诺判别雷诺判别尼古拉兹实验分区尼古拉兹实验分区孔口和管嘴出流孔口和管嘴出流水击现象水击现象边界层分离和卡门涡街边界层分离和卡门涡街相似准则相似准则明渠均匀流特征条件明渠均匀流特征条件明渠水流三种流态判别明渠水流三种流态判别水跃水跃7l 关于计算题关于计算题圆管层流流动与水头损失计算圆管层流流动与水头损失计算长、短管水力计算长、短管水力计算边界层厚度和摩阻计算边界层厚度和摩阻计算模型相似模型相似明渠均匀流水力计算明渠均匀流水力计算水跃水跃8l 关于基本公式（需要掌握）关于
3、基本公式（需要掌握）均匀流沿程水头损失与切应力的关系均匀流沿程水头损失与切应力的关系达西公式达西公式曼宁公式、谢才公式曼宁公式、谢才公式简单管道流量的基本公式简单管道流量的基本公式孔口和管嘴出流流量基本公式孔口和管嘴出流流量基本公式明渠横断面的水力要素及流量公式明渠横断面的水力要素及流量公式水跃共轭水深公式水跃共轭水深公式 第八章第八章 流动形态和水头损失流动形态和水头损失 运动液体，由于其粘性的作用和边界的影响运动液体，由于其粘性的作用和边界的影响必产生液流阻力和能量损失，但流态不同（层流必产生液流阻力和能量损失，但流态不同（层流与紊流），其液流的内部结构、流动阻力、断面与紊流），其液流的内
4、部结构、流动阻力、断面流速分布以及能量损失的规律等均截然不同。流速分布以及能量损失的规律等均截然不同。 1 1、层流与紊流的概念、判别、层流与紊流的概念、判别 2 2、雷诺数的有关概念、物理意义、雷诺数的有关概念、物理意义 3 3、均匀流沿程水头损失与切应力的关系、均匀流沿程水头损失与切应力的关系 4 4、达西公式、谢才公式、达西公式、谢才公式 5 5、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定、沿程阻力系数与局部阻力系数的确定10一一. .水头损失水头损失wfjhhh1.1.沿程水头损失的计算沿程水头损失的计算达西公式达西公式二、二、 均匀流基本方程均匀流基本方程圆管过水断面上切应力的分布圆管过水断面
5、上切应力的分布2. .局部损失计局部损失计算公式算公式水力半径水力半径AR 22jvhg 第八章第八章 流动形态和水头损失流动形态和水头损失gRlhf01111三三. .液体流动的两种型态液体流动的两种型态 液体质点互不混掺，做有条不紊的直线运动。液体质点互不混掺，做有条不紊的直线运动。 1.1.层流层流 形成涡体，液体质点脉动、互相掺混。形成涡体，液体质点脉动、互相掺混。2.2.紊流紊流3. . 流态的判别流态的判别 雷诺数雷诺数表示惯性力与粘表示惯性力与粘滞力的对比关系滞力的对比关系圆管圆管非圆形断面的管道或渠道非圆形断面的管道或渠道2300Re c575Re c RRe1212四四. .
6、圆管中的层流运动圆管中的层流运动圆管层流中流速为抛物圆管层流中流速为抛物型分布（旋转抛物面）型分布（旋转抛物面）232flhvgdRe6420max4rgJu208rgJvmax21uv 00303202243rru d AvAud AvA13132. .紊流切应力紊流切应力牛顿粘滞切应力牛顿粘滞切应力紊流附加切应力紊流附加切应力21五五. .紊流的特征紊流的特征1. . 紊流中运动要素的脉动紊流中运动要素的脉动瞬时流速瞬时流速时均流速时均流速脉动流速脉动流速xxxuuuTxxdtuTu0_1xxxuuu1414六六. .粘性底层粘性底层 紊流中，在固体边界处，粘滞力起主要作用，靠近固体边紊流
7、中，在固体边界处，粘滞力起主要作用，靠近固体边界处流体作层流运动，这层流体叫做粘性底层（厚度界处流体作层流运动，这层流体叫做粘性底层（厚度 0 0）。）。粘性底层的厚度很薄，一般为十分之几毫米。粘性底层在流粘性底层的厚度很薄，一般为十分之几毫米。粘性底层在流体力学研究中有非常重要的意义。体力学研究中有非常重要的意义。 l l与雷诺数、与雷诺数、沿程阻力系数、管沿程阻力系数、管径有关。径有关。层流底层的厚度层流底层的厚度1515七七. .紊流分区紊流分区 水力光滑管区水力光滑管区 过渡区过渡区 水力粗糙管区水力粗糙管区水力光滑管、水力粗糙管不是一成不变的。水力光滑管、水力粗糙管不是一成不变的。0
8、001616层流流速分布层流流速分布紊流流速分布紊流流速分布抛物型分布抛物型分布对数分布对数分布八八. .圆管紊流流速分布圆管紊流流速分布紊流流速分布均匀化了，所以，工程上动能紊流流速分布均匀化了，所以，工程上动能修正系数修正系数 ，动量修正系数，动量修正系数 。0 . 10 . 10）层流区）层流区实验点集中在直线实验点集中在直线abab上上Re64(Re);,Re;2000Ref）层流向紊流的过渡区）层流向紊流的过渡区实验点集中在实验点集中在bcbc区间内区间内, ,无具体计算式无具体计算式(Re);4000Re2000f3 3）水力光滑区）水力光滑区实验点集中在直线实验点集中在直线cdc
9、d上上,Re;(Re);)/(98.26Re40007/8fd)Re35. 9lg(214. 11d)(Re,);/(2 .191Re)/(98.267/8dfdd4 4）水力光滑向水力粗糙的过渡区）水力光滑向水力粗糙的过渡区实验点集中在实验点集中在cdefcdef区域内区域内怀特公式怀特公式5)5)水力粗糙区水力粗糙区实验点集中在实验点集中在efef区域后区域后)();/(2 .191Redfd2)lg(214. 1 1d尼古拉茨实验图尼古拉茨实验图1818沿程损失系数的五个分区沿程损失系数的五个分区1I区，区，Re2300，层流区，层流区，=f (Re)=64/Re，hf v2II区，区，
10、Re=23004000，层流到紊流过渡区，层流到紊流过渡区， = f (Re)3III区，区， 4000 Re , ,那么它的实验点都集中在直线那么它的实验点都集中在直线cd上上, ,表明表明 与与 无关无关, ,而只与而只与Re有关有关. .8 . 0Relg21;103Re10564普朗特公式普朗特公式说明：说明：7/8)/(98.26Re4000d0)Re35. 9lg(214. 11d)(Re,);/(2 .191Re)/(98.267/8dfdd水力光滑向水力粗糙的过渡区水力光滑向水力粗糙的过渡区实验点集中在实验点集中在cdef 区域内区域内水力粗糙区（阻力平方区）水力粗糙区（阻力平
11、方区）实验点集中在实验点集中在ef 区域后区域后 一方面由于一方面由于Re较大，另一方面又由于粗糙突起突出与层流底较大，另一方面又由于粗糙突起突出与层流底 层很多，会不断产生涡体，促使紊动得以充分发展，粘性切应层很多，会不断产生涡体，促使紊动得以充分发展，粘性切应 力与紊动切应力相比已微不足道，因此力与紊动切应力相比已微不足道，因此只与相对粗糙度有关。只与相对粗糙度有关。)(;24160Re85. 0dfd2)2lg(274. 1 1d怀特公式怀特公式尼古拉兹公式尼古拉兹公式22（3 3）莫迪图）莫迪图Re51. 27 . 3lg21d2323十、沿程水头损失计算十、沿程水头损失计算1.1.经
12、验公式经验公式2.2.半经验半理论公式半经验半理论公式3.3.莫迪图莫迪图4.4.查相关手册查相关手册5.5.对于非圆管对于非圆管换算当量直径换算当量直径2424十一十一. . 局部水头损失的计算局部水头损失的计算计算局部水头损失的公式计算局部水头损失的公式gvhj22突然放大突然放大 gvvhj2)(221gvgvAAhj22)1 (21121221gvgvAAhj22)1(22222212淹没出流淹没出流Re),(df局局部部阻阻碍碍形形状状2525十二、减少阻力的措施十二、减少阻力的措施调整边界条件，改善边壁对流动的影响。调整边界条件，改善边壁对流动的影响。方法二方法二方法一方法一加添加
13、剂，影响流体运动的内部结构，减阻加添加剂，影响流体运动的内部结构，减阻。2626第九章第九章 孔口、管嘴与有压管流孔口、管嘴与有压管流一、孔口出流一、孔口出流 薄壁孔口薄壁孔口 与与厚壁孔口厚壁孔口小孔口小孔口大孔口大孔口自由出流自由出流淹没出流淹没出流恒定出流恒定出流非恒定出流非恒定出流孔口的分类孔口的分类1、了解孔口出流的基本特点，掌握孔口划分条件。2、了解管嘴出流的基本特点，掌握管嘴设计形状。3、了解有压管流的基本特点，掌握管流分为长管流动和短管流动的条件。4、掌握简单管道的水力计算和测压管水头线、总水头线的绘制，并能确定管道内的压强分布。5、了解复杂管道的特点和计算方法。6、了解有压管
14、道中的水击现象和水击传播过程。第九章第九章 孔口、管嘴与有压管流孔口、管嘴与有压管流2828流量公式流量公式 2929二、管嘴出流二、管嘴出流流量公式流量公式32. 1n工作条件工作条件1.外延管嘴外延管嘴2.其他形式管嘴其他形式管嘴收缩断面真空压强收缩断面真空压强 075. 0/Hgpc水柱mH903030管流的分类管流的分类简单管路简单管路复杂管路复杂管路串联管路串联管路并联管路并联管路管管 网网三、管路的水力计算三、管路的水力计算1、长管、长管2、短管、短管2211AVAVfhpzpz2211gVDLhf22gVhhhcjfw22出口whgVpzgVpz2222221121VDVDRe四
15、、四、简单管路的水力计算简单管路的水力计算短管水力计算的基本类型短管水力计算的基本类型),(dlHfQ，设计水塔高度，确定水泵扬程，风机全压设计水塔高度，确定水泵扬程，风机全压1. 已知已知 ，计算，计算H，hw02gHAAvQ,dlQ，2. 已知管路布置和已知管路布置和 , H ，计算，计算Q，v,dl验算管路的输流能力，验算流速的大小是否满足要求验算管路的输流能力，验算流速的大小是否满足要求计算方法：试算法计算方法：试算法, lQ，3. 已知已知 ，计算，计算d计算方法：试算法计算方法：试算法，,dl4. 已知已知 Q , H ，确定管路上各断面的压强，确定管路上各断面的压强p校核管的强度
16、校核管的强度短管水力计算短管水力计算10004dl指管路的总水头损失中，沿程水头损失和局部水头损失均占指管路的总水头损失中，沿程水头损失和局部水头损失均占相当比重，计算时都不可忽略的管路。相当比重，计算时都不可忽略的管路。 （虹吸管、水泵装置、泄水廊道）（虹吸管、水泵装置、泄水廊道）wfjhhh水泵水泵提水高度提水高度安装高度安装高度HHs吸水管吸水管压水管压水管水泵向单位重量液体所提水泵向单位重量液体所提供的机械能，称为水泵的供的机械能，称为水泵的扬程扬程twwHZhh吸水管压水管b.水泵压水管水泵压水管 压水管的水力计算包括压水管的水力计算包括水泵的扬程水泵的扬程Hm和水泵的输入功率和水泵
17、的输入功率Np。1000mpQHNa.水泵吸水管（短管）水泵吸水管（短管）计算主计算主要是确定水泵的要是确定水泵的允许安装高度允许安装高度HS和过流能力和过流能力Q12vsQAg hHld 2()2svvlHhg虹吸管虹吸管ZZs1122安装高度安装高度虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管的优点在于能跨越高地，减少挖方。虹吸管长度一般不长，故按短管计算。虹吸管长度一般不长，故按短管计算。 虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水虹吸管是一种压力管，顶部弯曲且其高程高于上游供水水面。其顶部的真空值一般不大于面。其顶部的真空值一般不大于7m水柱高。水柱高。虹吸管计算主要确定虹吸管
18、计算主要确定安装高度安装高度Zs，通过流量，通过流量l1132l23 3 有压泄水道的水力计算有压泄水道的水力计算 泄流量泄流量Q，画，画出水头线出水头线 圆形隧洞圆形隧洞求求已知已知219-5 管路的水力计算短管四、长管的水力计算四、长管的水力计算 简单管路：简单管路：管径沿程不变、流量也不变的管路。管径沿程不变、流量也不变的管路。复杂管路：复杂管路：由不同直径的几段管道串、并联而成的管路。由不同直径的几段管道串、并联而成的管路。如果作用水头的如果作用水头的95%以上用于沿程以上用于沿程水头损失水头损失21SlQH 2255.33810.3nSgdd1 1、比阻法、比阻法舍维列夫公式gVdL
19、hLHJf2122 2、水力坡度法、水力坡度法3 3、莫迪图法、莫迪图法各管段的联接点水流符合连续性方程：各管段的联接点水流符合连续性方程：1iiiQqQ水流满足能量方程：水流满足能量方程：22fijiVHhhg（按短管计）（按短管计）或或21231nfffiiiHhhh HS Q（按长管计）（按长管计）按短管计按短管计Q2Q1Q3q1q2HQ2Q1Q3q1q2H按长管计按长管计特点：各管段流量相等，特点：各管段流量相等，总水头损失等于各管段水头损失之和总水头损失等于各管段水头损失之和 。计算原则计算原则 (节点流量、总的损失节点流量、总的损失)五、串联管路五、串联管路 38六、并联管路六、并
20、联管路计算原则计算原则:BlAlllhhhhQQQQ321321233222211QSQSQS01niiQ.222111ShQShQShQllbla211323321221;SSQQSSQQSSQQ3213211:1:1:SSSQQQ3939七、有压管中的水击七、有压管中的水击1、有压管路水击的四个阶段、有压管路水击的四个阶段2、直接水击和间接水击、直接水击和间接水击3、减小水击危害的若干措施、减小水击危害的若干措施403Hm14dcm120lm27dcm215lm10.02520.02例例1 1：由高位水箱向低位水箱输水，如图所示。已知由高位水箱向低位水箱输水，如图所示。已知两水箱的水位差两
21、水箱的水位差 , ,输水管段的直径和长度分别输水管段的直径和长度分别为为 ，沿程水头损失，沿程水头损失系数系数 ，阀门的局部水头损失系数为，阀门的局部水头损失系数为3.53.5，不计行近流速水头的影响。，不计行近流速水头的影响。试求其输水流量并试求其输水流量并绘制其总水头线和测压管水头线。绘制其总水头线和测压管水头线。 H41221122(1)(1)0.4536AdAd1122Qv Av A22212221149()16AdvvvvAd22222211112222112212222222vlvvvlvvHgdgggdgg阀20.66/vm s23222210.0025/4QA vd vms解：
22、两管连接处，管道突然扩大，其局部阻力系数为解：两管连接处，管道突然扩大，其局部阻力系数为由由得得以管轴中心线为基准面，选取渐变流断面以管轴中心线为基准面，选取渐变流断面1-11-1、2-22-2，列，列1-1-2 2断面能量方程：断面能量方程：将各参数值代入上述方程，得将各参数值代入上述方程，得42H总水头线测压管水头线总水头线和测压管水头线如下图所示：总水头线和测压管水头线如下图所示：43例例2 2：图示用直径：图示用直径d d = 0.4m= 0.4m的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌的钢筋混凝土虹吸管从河道向灌溉渠道引水，河道水位为溉渠道引水，河道水位为120m120m，灌溉渠道水位，灌溉渠道
23、水位118m118m，虹吸管，虹吸管各段长度为各段长度为l l1 1 = 10m = 10m，l l2 2 =5m =5m， l l3 3 =12m =12m，虹吸管进口安装，虹吸管进口安装无底阀的滤网（无底阀的滤网（= 2.5= 2.5）, ,管道有两个管道有两个6060o o的折角弯管的折角弯管（=0.55=0.55）。求：）。求：l2h sl3l16060z河道渠道（1 1）通过虹吸管的流量。通过虹吸管的流量。 （2 2）当虹吸管内最大允许当虹吸管内最大允许真空值真空值h hv =7.0mv =7.0m时，虹吸管时，虹吸管的最大安装高度。的最大安装高度。 44解解：（：（1 1）计算通过
24、虹吸管的流量）计算通过虹吸管的流量 smRnC21616166.4844 . 0014. 011033. 066.484 .78822Cg383.00.155.025.24.027033.011dLc2320.383 0.785 0.42 9.820.30cQAgzms45（2 2）计算虹吸管的最大安装高度）计算虹吸管的最大安装高度所以所以列河道水面和虹吸管下游转弯前过水断面的能量方程列河道水面和虹吸管下游转弯前过水断面的能量方程220002swphhgg20.302.390.785 0.4Qm sA21052.397.9(1 0.0332.50.55)0.419.65.46shm1.1. 名
25、义厚度名义厚度第十章第十章 边界层边界层理论理论2.2. 位移厚度位移厚度 自固体边界表面沿其外法线到纵向流自固体边界表面沿其外法线到纵向流速速u ux x达到主流速达到主流速U U0 0 的的99%99%处的距离处的距离。d001duyU3.3. 动量厚度动量厚度m0001duuyUU普朗特边界层方程普朗特边界层方程2201=0yxxxxxyuuxypuuuuuxyxypy uuu层流边界层湍流边界层层流内层Ax0平板上的流动边界层（1 1）边界层的两种流动状态）边界层的两种流动状态（2 2）边界层的判别准则）边界层的判别准则-雷诺数雷诺数转捩点转捩点0 xU xRe 5cr5.0 10 x
26、Re 边界层厚度边界层厚度 层流边界层层流边界层紊流边界层紊流边界层5/12/1Re813 . 0Re5xxxx5cr05.0 10 xU临界雷诺数临界雷诺数 例例10-2假设边界层中的流速按下面指数规律分布假设边界层中的流速按下面指数规律分布nyUu10试求：试求：n=7时边界层的位移厚度和动量厚度。时边界层的位移厚度和动量厚度。解解 位移厚度位移厚度1d000111118nuydydyUn动量厚度动量厚度11m00001171272nnuuyydydyUUnnn1010-1-1 边界层的基本概念边界层的基本概念020001(2)mmddddxuuudx卡门动量积分方程卡门动量积分方程200
27、00 xxdddpuu dyu dydxdxdx边界层动量积分方程边界层动量积分方程)(00）（yfux补充方程一：补充方程一：补充方程二：补充方程二：）（2220yyUux002U05.4775.477RexxxUxUU3000365. 022001.461.462DDfeLfFCUU LRA平板上的层流边界层平板上的层流边界层20000 xxdddpuu dyu dydxdxdx边界层动量积分方程边界层动量积分方程补充方程一：补充方程一：补充方程二：补充方程二：平板上的（平板上的（紊）紊）湍流边界层湍流边界层710yUux1/420000.0225 UU1/51/500.370.37exx
28、xU xR21/5000.029RexU1/521/5000.0740.0742DDfeLfFCUU LRA普朗特普朗特卡门公式卡门公式普朗特普朗特史里希廷公式史里希廷公式Df2.58l0.455lgCRe例例10.4 设有一平板长设有一平板长5m，宽，宽2m，顺流放置在二维恒定匀速流，顺流放置在二维恒定匀速流场中。已知水流以的速度场中。已知水流以的速度U0=0.1m/s绕流平板，平板长边与绕流平板，平板长边与水流方向一致，水的运动粘度水流方向一致，水的运动粘度 m2/s，密度，密度求（求（1）距平板首端）距平板首端1m和和4m处边界层厚度；处边界层厚度； （2）平板一面所受的摩擦阻力。）平板
29、一面所受的摩擦阻力。解：解：首先判别流态首先判别流态整个平板的边界层为层流边界层。整个平板的边界层为层流边界层。在在x=1mx=1m和和x=4mx=4m时，边界层的厚度分别为时，边界层的厚度分别为61.139 10 3999.1/kg m 55060.1 5Re4.39 105 101.139 10LU L 6101.139 1015.4775.4771.850.1xcmU 6201.139 1045.4775.4773.70.1xcmU 平板一面所受的摩擦阻力为平板一面所受的摩擦阻力为2220051.461.46999.1 0.1100.11N222Re4.39 10ffLUUDCbLbL
30、5252 1 1、A A点前：点前：在圆柱体前半部边界层内的流动是降压加速在圆柱体前半部边界层内的流动是降压加速2 2、ABAB段：段：在圆柱体后半部边界层内的流动是升压减速在圆柱体后半部边界层内的流动是升压减速3 3、BSBS段：段：过过S点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，点以后，压强继续增加，在压强差的作用下，圆柱体后面产生一个尾涡区圆柱体后面产生一个尾涡区。尾涡区内的旋涡尾涡区内的旋涡不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降不断地消耗有用的机械能，使该区中的压强降低，形成了低，形成了压差阻力压差阻力。4 4、SDSD段：段：53 逆压梯度逆压梯度 壁面附近的粘性摩擦壁面附近的粘性摩
31、擦 (2) (2) 边界层分离对流动的影响边界层分离对流动的影响 边界层分离边界层分离大量旋涡大量旋涡消耗能量消耗能量增大增大 (1)边界层分离的条件边界层分离的条件当黏性流体绕过圆柱体时，发生边界层分离，在圆柱体后面当黏性流体绕过圆柱体时，发生边界层分离，在圆柱体后面产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡。产生一对不稳定的旋转方向相反的对称旋涡。卡门涡街卡门涡街脱落脱落( (发放发放) )频率频率f0200.201ReUfd绕流阻力绕流阻力第一部分：由于流体的黏性在物体表面上作用着切向应力，由此切向第一部分：由于流体的黏性在物体表面上作用着切向应力，由此切向 应力所形成的应力所形成的摩擦阻力
32、摩擦阻力Ff ；由边界层理论求解。由边界层理论求解。第二部分：由于边界层分离，物体前后形成压强差而产生的压差阻力。它第二部分：由于边界层分离，物体前后形成压强差而产生的压差阻力。它决定于物体的形状，又称决定于物体的形状，又称形状阻力形状阻力FpFp。pfDFFFfffAUCF2021pppAUCF2021AUFCDD202120202121)(UACUACACFFFDppffpfD阻力系数只与雷诺数有关。阻力系数只与雷诺数有关。减小绕流阻力措施减小绕流阻力措施流线型流线型壁面光滑壁面光滑二二. .量纲分析法量纲分析法 瑞利法（瑞利法（Rayleigh）定理定理(Buckingham）一一. .
33、量纲量纲齐次性（齐次性（和谐）原理和谐）原理物理过程的无量纲表达形式为物理过程的无量纲表达形式为 12(,)0n mF 模型和原型保证模型和原型保证流动相似流动相似，应满足：，应满足： 几何、运动、动力初始条件和边界条件相似几何、运动、动力初始条件和边界条件相似时变惯性力时变惯性力位变惯性力位变惯性力表征表征LUTSt 斯特劳哈尔数斯特劳哈尔数gLUFr弗劳德数弗劳德数2UPEn欧拉数欧拉数ULRe雷诺数雷诺数位变惯性力位变惯性力重力重力位变惯性力位变惯性力粘性力粘性力位变惯性力位变惯性力压差力压差力表征表征表征表征表征表征 三. . 相似准则相似准则例例 长度比长度比 l=50的船舶模型，在
34、水池中以的船舶模型，在水池中以1m/s的速度的速度牵引前进时，测得波浪阻力为牵引前进时，测得波浪阻力为0.02N。求求 （1）原型中的波浪阻力；）原型中的波浪阻力； （2）原型中船舶航行速度；）原型中船舶航行速度； （3）原型中需要的功率？）原型中需要的功率？ 59 1 1、明渠水流的特点、明渠水流的特点 2 2、明渠均匀流的特性、明渠均匀流的特性 3 3、明渠均匀流的产生条件、明渠均匀流的产生条件 4 4、水力最佳断面与允许流速的概念、水力最佳断面与允许流速的概念 5 5、明渠均匀流的基本公式及其水力计算、明渠均匀流的基本公式及其水力计算第十二章第十二章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 60
35、1 1、明渠水流的特点、明渠水流的特点 第十二章第十二章 明渠恒定均匀流明渠恒定均匀流 明渠流： 具有自由水面（即水面压强为大气压）； 重力是流动的主要动力； 明渠水面线即测压管水头线主槽滩地梯形断面河道断面矩形断面断面水力要素断面水力要素bh1mB底宽底宽水深边坡系数水面宽水面宽2Bbmh过水断面面积过水断面面积()Abmh h湿周湿周221bhm水力半径水力半径2()R21Abmh hbhm612 2、明渠均匀流的特性、明渠均匀流的特性 1.过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。过水断面的形状、尺寸及水深沿程不变。2.过水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；因此，水流过水断面上的流速分布
36、、断面平均流速沿程不变；因此，水流的动能修正系数及流速水头也沿程不变。的动能修正系数及流速水头也沿程不变。3.总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即总水头线、水面线及底坡线三者相互平行，即4.水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即水流重力在流动方向上的分力与摩阻力相平衡，即G Gs s= =F Ff f 。zJJi3 3、明渠均匀流的产生条件、明渠均匀流的产生条件 ( (1) 1) 水流应为恒定流，流量沿程不变。水流应为恒定流，流量沿程不变。 ( (2) 2) 渠道是长直的棱柱体顺坡明渠，糙率沿程不变。渠道是长直的棱柱体顺坡明渠，糙率沿程不变。 (3) (3) 渠道中无闸、坝等建筑物的
37、局部干扰。渠道中无闸、坝等建筑物的局部干扰。62水力最佳断面与允许流速水力最佳断面与允许流速当当 Q = 一定，要求：一定，要求：A Amin 当当 A = 一定，要求：一定，要求：Q Qmax22( 1)mbmmh梯形水力最佳断面宽深比梯形水力最佳断面宽深比梯形水力最佳断面的水力半径梯形水力最佳断面的水力半径2mmmAhR允许流速允许流速在设计渠道时，应使过流断面的平均流速在各种允许流速的范围内，在设计渠道时，应使过流断面的平均流速在各种允许流速的范围内，最大允许流速取决于渠道表面的土质和加固情况以及水深。最小允许流最大允许流速取决于渠道表面的土质和加固情况以及水深。最小允许流速取决于悬浮泥
38、沙的性质。速取决于悬浮泥沙的性质。maxminvvvv 已知渠道的断面尺寸已知渠道的断面尺寸b b、m m、h h及底坡及底坡i i、糙率、糙率n n，求求通过的流量通过的流量Q Q。v 已知渠道的断面尺寸已知渠道的断面尺寸b b、m m、h h及设计流量及设计流量Q Q、糙率、糙率n n，求底坡求底坡i i。v 已知渠道的断面尺寸已知渠道的断面尺寸b b、m m、h h及通过的流量及通过的流量Q Q、底坡、底坡i i，求糙率求糙率n n。v 已知渠道的设计流量已知渠道的设计流量Q Q、底坡、底坡i i、底宽、底宽b b、边坡系数、边坡系数m m和糙率和糙率n n，求正常水深求正常水深h h0
39、 0。v 已知渠道的设计流量已知渠道的设计流量Q Q、底坡、底坡i i、水深、水深h h、边坡系数、边坡系数m m和糙率和糙率n n，求底宽求底宽b b。返回5 35 3 1 21 62 32. 3211 21bm hhAiiQACRiRARinnnbhm64 例例1 1 某梯形土渠设计流量某梯形土渠设计流量 Q Q 为为2 m2 m3 3/s/s，渠道为重壤土，粗糙，渠道为重壤土，粗糙系数系数 n n 为为0.0250.025，边坡系数，边坡系数 m m 为为1.251.25，底坡，底坡 i i 为为0.00020.0002。试。试设计一水力最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速为设计一水力
40、最佳断面，并校核渠中流速（已知不淤流速为0.4m/s0.4m/s）解：将解：将 和和 代入代入 ，并，并用曼宁公式计算谢才系数，整理后可得：用曼宁公式计算谢才系数，整理后可得：3/822/35/3 1/2(2 1)()nQmhmi 当为水力最佳断面时：当为水力最佳断面时：222( 1)2( 1 1.251.25)0.702mm2()Am h22 1m hRmQACRi65可得：可得：smR/)00. 170. 0(mmhbmsmhmmmm05. 1)49. 1 (702. 049. 10002. 0)25. 1702. 0()25. 112702. 0)(/2(025. 02/13/53/22
41、3mmhR745. 0249. 12 校核渠中流速是否满足不冲不淤的条件：由表查校核渠中流速是否满足不冲不淤的条件：由表查得得 R R 1 m 1 m 时的不冲允许流速时的不冲允许流速 对所设计的水力最佳断面对所设计的水力最佳断面则不冲允许流速则不冲允许流速41a1/41/4(0.70 1.00)/(0.745 )(0.65 1.00)/RRm smm s 66已知不淤流速已知不淤流速 。渠中断面平均。渠中断面平均流速为流速为sm/40. 0 3()(2/ )0.46/(1.05 ) 1.25 (1.49 )(1.49 )mmQbmhhmsm smmm故故 所设计断面满足不冲刷不淤积的条件。所
42、设计断面满足不冲刷不淤积的条件。671 1、明渠水流的三种流态及其判别方法：、明渠水流的三种流态及其判别方法： 第十三章、明渠恒定非均匀流第十三章、明渠恒定非均匀流 缓流缓流 临界流临界流 急流急流 vc Fr1 hhk h=hk h0 dEs/dh= 0 dEs/dhik i=ik i0 i0 21sdhiJiJdsFrE平坡平坡 i=0 i=0 sdhJdsE 反坡反坡 i0 i0时0QKi2021 ()1KKiFr定性分析水面曲线定性分析水面曲线 根据已知水深根据已知水深h h在具体渠道中所处的区，确定水面曲线的类型；在具体渠道中所处的区，确定水面曲线的类型；壅水曲线还是降水曲线，是哪种
43、类型的壅水曲线和哪种类型的壅水曲线还是降水曲线，是哪种类型的壅水曲线和哪种类型的降水曲线；降水曲线； 指出指出dh/dsdh/ds的极限情况，即水面曲线两端的变化趋势。的极限情况，即水面曲线两端的变化趋势。 73绘制变底坡明渠水面线的步骤：绘制变底坡明渠水面线的步骤：1 1）在底坡改变处画一条铅直线；）在底坡改变处画一条铅直线；2 2）分别画出铅直线上、下游渠道的）分别画出铅直线上、下游渠道的N-NN-N线和线和C-CC-C线；线；3 3）找出控制水深；）找出控制水深；4 4）定性判断水面线的趋势；）定性判断水面线的趋势；5 5）根据水面线唯一性原则，画出水面线，并标注名）根据水面线唯一性原则
44、，画出水面线，并标注名称。称。iikKKNNS1S2S3i=icKKC1c3i=0i=0KKH2H3i0KKA2A3各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：各类水面曲线的型式及十二条水面线的规律：1和和3区为壅水曲线；区为壅水曲线；2区为降水曲线区为降水曲线当当hh0时，以时，以N-N线为渐近线；线为渐近线；当当hhk时，与时，与K-K线有成垂直的趋势；线有成垂直的趋势；当当h时，以水平线为渐近线时，以水平线为渐近线751 1）从缓流到急流）从缓流到急流2 2）从缓流到缓流）从缓流到缓流3 3）从急流到急流）从急流到急流76l 关于液体运动的两种流态关于液体运动的两种流态-层流与紊流层流与紊流 如何判别？如何判别？ 雷诺数雷诺数ReRe的物理意义的物理意义l 关于明渠水流的两种流态关于明渠水流的两种流态-缓流与急流缓流与急流 如何判别？五种方法如何判别？五种方法 弗汝德数弗汝德数FrFr的物理意义的物理意义77l 关于水深关于水深 正常水深正常水深 临界水深临界水深l 关于底坡关于底坡实际底坡实际底坡临界底坡临界底坡缓坡缓坡临界坡临界坡陡坡陡坡正坡正坡平坡平坡负坡负坡78l 关于水跃关于水跃跃前水深跃前水深跃后水深跃后水深流态的转换流态的转换l 总机械能总机械能E与断面比能与断面比能Es79
