明渠恆定非均勻流

明渠恆定非均勻流

正文

流速不隨時間變化，但其大小和方向或二者之一沿程變化的明渠水流。又稱明渠恆定變速流，是常見的水流形態。根據流速沿程變化的緩急程度又分為漸變流和急變流。流速（包括方向和大小）沿程變化緩慢的為漸變流，其流線特徵是近乎平行直線；流速沿程變化急劇的為急變流，其流線曲率或流線間夾角較大。
明渠恆定漸變流　問題可以歸結為求解某一流量時水位 z或水深h與距離s的關係。表示這一關係的曲線稱為水面曲線。對於幾何特性不同的明渠，分析水面曲線的方法及所得結論的詳盡程度差別甚大。水面曲線的研究內容概括起來包括曲線形狀分析和坐標計算兩部分。對於最簡單情況即底坡、糙率、斷面形狀和尺寸均沿程不變的稜柱形渠道，水面曲線研究成果最為成熟。利用水流能量方程可以導出水深對距離的導數為：

式中i為渠道底坡；J為某斷面的水力坡度，可近似地按謝才公式計算；Fr為某斷面的弗勞德數(見緩流和急流)。在流量、渠道斷面尺寸及糙率已知的條件下,J和Fr均為水深h的函式。利用上式可以對正坡（i0。又按實際底坡i與臨界底坡ic的相對大小分為緩坡iic、陡坡iic及臨界坡i＝ic三種）、平坡(i＝0)及負坡(i0)上不同水深區域(以均勻流水深線N－N和臨界水深線C－C為劃分界限)內發生的水面曲線進行分析,共得12條曲線（圖1）。至於形成這些水面曲線的具體原因可有多種，例如在緩坡渠道上建閘，如閘上游水位超過N－N線便發生M1型曲線，而下游閘孔泄流後接著發生M3型曲線（圖2）。

明渠恆定非均勻流

明渠恆定非均勻流

水面曲線的計算方法最基本的是分段法。該法將整個流動分為若干流段,對每一流段直接套用能量方程。對於天然河道，分段法的公式為：

式中z為水位；v為斷面平均流速；z及v的下標u和d分別代表上、下游斷面；Q為流量;噖為流段平均流量模數,即噖＝(Ku+Kd)/2,這裡,C為謝才係數（見謝才公式），A為過水麵積，R為水力半徑（見明渠恆定均勻流）；Δs為流段長度；α為動能校正係數；ζ為流段局部水頭損失係數；g為重力加速度。
對於人工渠道，無論是否稜柱形均可用下式計算：

式中稱為斷面單位能量；嘊為流段平均水力坡度。
明渠恆定急變流　由局部渠段的邊界形狀（包括底坡）劇變或建築物的阻遏作用所引起，影響範圍較短。有的流動變化主要表現在沿程的鉛直縱剖面上，例如水躍、跌水等；有的則主要表現在水平面上，例如軸線彎折的渠段水流、斷面尺寸突變（擴寬或收縮）處的水流。有時還產生旋渦區，流態甚為複雜。明渠急變流研究的內容因具體情況而異，例如彎道水流研究橫向比降及斷面環流，如果是急流還涉及衝擊波現象。泄水建築物引起的急變流主要是研究泄水能力與建築物尺寸、形式的關係以及流態的演變過程等，這部分內容已獨立成為水力學中堰流、孔口出流、水流銜接與消能等專題。
參考書目
　清華大學水力學教研室編：《水力學》，下冊，人民教育出版社，北京，1980。

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