9 明渠恒定流.docx
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9明渠恒定流
思考题及答案
一、选择1
二、例题4
三、问答11
一、选择
问题1:
水力最优断面是:
A、造价最低的渠道断面;
B、壁面粗糙系数最小的断面;
C、对一定流量具有最大断面面积的断面;
D、对一定的面积具有最小湿周的断面。
问题2:
顺坡明渠的底坡i:
A、i>0; B、i<0;
C、i=0; D、不一定。
问题1:
各断面的长直渠道,具有相同的粗糙系数n,断面积A,底坡i,其通过流量最大的断面形状为:
A、正三角形; B、半正方形;
C、半正六边形; D、半圆形。
问题2:
有一矩形断面渠道,坡底、糙率和过水断面面积给定的条件下,下列哪个端面尺寸的过流能力最大:
A、b=4.5m,h=1.0m; B、b=2.25m,h=2.0m;
C、b=3m,h=1.5m; D、b=1.0m,h=4.5m。
问题1:
在流量一定,渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙一定时,随底坡的增大,正常水深将:
A、增大; B、减小; C、不变。
问题2:
在流量一定,渠道断面的形状、尺寸和壁面粗糙一定时,随底坡的增大,临界水深将:
A、增大; B、减小; C、不变;
问题1:
矩形断面明渠中,临界流时的流速水头是临界水深的:
A、1倍; B、1/3; C、1/2。
D、2/3。
问题2:
矩形断面明渠中,临界水深是最小断面比能的:
A、1倍; B、1/3; C、1/2; D、2/3。
问题3:
在流量一定,矩形断面的形状尺寸和壁面粗糙一定时,随底坡的增大,临界水深将:
A、增大; B、减小; C、不变; D、以上都可能。
问题:
明渠流动为急流时:
A、Fr>1
B、h>hc
C、v D、 问题: 明渠流动为缓流时: A、Fr<1; B、h C、v>vc; D、 判断: 水力坡度J一定为正值。 你的回答: 对错 选择: 水力最优矩形断面,宽深比是: 你的回答: A.0.5;B.2;C.1.0;D.4。 判断: 给水管网中的管流为无压流。 你的回答: 对错 判断: 随着水深的增加,断面单位能量必然增加。 你的回答: 对错 判断: 明渠的临界底坡与断面的形状、流量、渠道的粗糙率及渠道的实际底坡有关。 你的回答: 对错 选择: 临界底坡ic: 你的回答: A.ic>0;B.ic<0; C.ic=0; D.都有可能 判断: 在缓坡渠道中可以产生均匀急流。 你的回答: 对错 判断: 在急坡渠道中可以产生均匀缓流。 你的回答: 对错 判断: 在临界坡渠道中,均匀流动的正常水深等于临界水深。 你的回答: 对错 判断: 在明渠流中,用底坡的类型就可以判别水流的流态,即在缓坡上水流为缓流,在陡坡上水流为急流,在临界坡上水流为临界流。 你的回答: 对错 判断: 在同一渠底坡度上,只可能出现一种流态。 你的回答: 对错 判断: 当明渠流量及断面的形状和尺寸一定时,跃前水深越小则跃后水深越大;反之,跃前水深越大则跃后水深越小。 你的回答: 对错 选择: 明渠水流由急流过渡到缓流时发生: 你的回答: A.水跃;B.水跌; C.连续过渡; D.都有可能 二、例题 例题1: 有一梯形断面中壤土渠道,已知: 渠中通过的流量Q=5m3/s,边坡系数m=1.0,粗糙系数n=0.020,底坡i=0.0002。 试求: (1)按水力最优条件设计断面; (2)若宽深比b=2来设计断面,检查渠中流速是否满足不冲条件。 解: (1)水力最优 A=(b+mh)h=(0.83h+h)h=1.83h2 又水力最优R=h/2 即hm=1.98m;bm=1.98×0.83m=1.64m (2) ∴ h=1.55m 此时 又中壤土渠道不冲流速为0.64~0.84m/s 所以渠道满足不冲条件。 例2: 有一梯形渠道,在土层中开挖,边坡系数m=1.5,粗糙系数n=0.025,底坡i=0.0005,设计流量Q=1.5m3/s。 按水力最优条件设计渠道断面尺寸。 解: 水力最优宽深比由式(9-5) 则 b=0.606h A=(b+mh)h=(0.606h+1.5h)h=2.106h2 又水力最优断面的水力半径 R=0.5h 将A、R代入基本公式(9-4): b=0.606×1.092=0.66m 例1: 有一梯形断面顺直小河,每公里落差0.5m,渠底宽3m,水深0.8m,边坡系数1.5,河床糙率n=0.032,求K、Q。 解: i=0.5/1000=0.0005 A=(b+mh)h=(3+1.5×0.8)×0.8=3.36m2 例题2: 某梯形断面土渠中发生均匀流动,已知: 底宽b=2m,,水深h=1.5m,底坡i=0.0004,粗糙系数n=0.0225,试求渠中流速υ,流量Q。 解: 一般渠道中流动均为紊流,总是应用谢才公式: ∵ ∴ Q=υA=0.80×6.38=5.10m3 /s 例3: 如图9-13所示的复式断面,已知渠底坡,求: 通过该复式断面的流量。 解: 将此渠道分成三部分,其面积分别为A1、A2、A3 。 可得: 图9-13 =763.83m3/s 例题1: 一矩形水槽底宽50cm,Q=500cm3/s,n=0.01。 求 (1)临界水深hc; (2)临界底坡ic ;(3)若h=10cm,求i0 ,Fr 。 解 (1) (2) (3)若h=10cm,求i0 ,Fr 例题2: 一梯形断面明渠均匀流,已知宽度b=3m,水深h=0.8m,m=1.5,n=0.03,i=0.0005,水温20°C(=0.0101cm2/s),判断此水流为紊流或层流,急流或缓流? 解: A=(b+mh)h=(3+1.5×0.8)×0.8=3.36m2 所以水流为紊流。 又水面宽B=b+2mh=3+2×1.5×0.8=5.4m 所以水流为缓流。 例1: 一等坡直线收缩矩形断面陡槽,如图9-38所示,边墙收缩角,i=0.15,n=0.014所通过的流量Q=825m3/s,其始断面h1=2.7m,底宽b1=35m。 试求距起始断面为10m处的水深h2。 图9-38 解: 以收缩开始断面为控制断面,其收缩水深h1=2.7m,水流进陡槽后,由于陡墙收缩角很小,水深h可能沿程减小,为降水曲线。 距起始断面为10m处的陡槽底宽: 对矩形过水断面有: 控制断面: 设: 有 计算: 由 重新计算,设: 有: 计算: 由 重新计算,设: 有: 计算: 由 计算符合要求得: 例2: 有一宽矩形渠道,单宽流量q=2.9m3/s,在渠中设置一溢流堰(见图9-39),堰前水深h2=3.0m,粗糙系数n=0.0214,且不随水深变化。 渠道底坡i=0.001。 试求水深h1=1.8m断面处距溢流堰的距离l。 解: 求得正常水深h0=1.5m,临界水深 hc=0.95m。 已知h0 >hc ,水流为缓流。 当h>h0 >hc ,水面线为M1型壅水曲线。 堰前水深h2=3.0m为控制水深,因此水深h是向上游逐渐减小。 从控制水深h2开始,每段水深差值取,分六段计算。 由: 图9-39 在第一段渠道计算中以h2=3.0m,h1=1.8m,得: 三、问答 想一想: 明渠流与满管流最大的区别在于前者是无压流,而后者是有压流。 问题: 明渠均匀流的产生条件是什么? 有何水力特征? 参考答案: 明渠均匀流的产生条件是: 1)底坡和糙率沿程不变的长而直的棱柱形渠道; 2)渠道必须为顺坡(i>0); 3)渠道中没有建筑物的局部干扰; 4)明渠中的水流必须是恒定的,沿程无水流的汇入、汇出,即流量不变。 水力特征有: 1)过水断面的形状和尺寸、断面平均流速、流量和水深沿程不变。 2)总水头线、测压管水头线(水面坡度)和渠底线互相平行。 问题: 为什么只有在正坡渠道上才能产生均匀流,而平坡和逆坡则没有可能? 参考答案: 水流由于粘性在流动过程中产生了阻力,阻力作负功消耗能量,而在正坡渠道中,因高程降低,重力势能降低可用来克服阻力所损耗的能量。 在平坡和逆坡中,重力是不做功或做负功的,无法提供阻力所损耗的能量,所以不可能产生均匀流。 问题: 水力最优断面有何特点? 它是否一定是渠道设计中的最佳 断面? 为什么? 参考答案: 水力最优断面的水力半径是水深的一半,即R=h/2,而对于梯形断面有: ,矩形断面有b=2h。 由于在实际中一般,这时即b 问题: 明渠均匀流与明渠非均匀流的水力特点有何不同? 参考答案: (1)明渠均匀流的,而明渠非均匀流的。 (2)明渠均匀流的断面平均流速、流量和水深沿程不变,而明渠非均匀流的断面平均流速、流量和水深沿程变化。 1.圆形无压管道中,为什么其流量在满管流之前即已达到最大值? 这是由于水深h增大到一定程度后,过水断面面积的增长率小于湿周的增长率,从而使无压圆管流中通过的流量相对减小。 2.按最大流量设计无压管流,工程中是否合理? 不合理,会造成有压无压交替的不稳定流 3.明渠非均匀流的水力特征是什么? J≠Jp≠I; 4.断面单位能量和单位重量水体总机械能有何相同? 0,断面单位能量的基准面选在过水断面最低点,且dEs/ds可>0,<0,=0。 单位重量水体机械能基准面可任取,且dEs/ds<0。 5.什么是缓流、急流、临界流? 如何判别? 答案: 急流: 当明渠中水流受到干扰后,若干扰微波只能顺水流方向朝下游传播,不能逆水流方向朝上游传播,水流只在障碍物处壅起,这种明渠水流称为急流。 此时水流流速大于干扰微波的流速,即 。 缓流: 当明渠中水流受到干扰后,若干扰微波既能顺水流方向朝下游传播,又能逆水流方向朝上游传播,造成在障碍物前长距离的水流壅起,这时渠中水流就称为缓流。 此时水流流速小于干扰微波的流速,即。 临界流: 当明渠中水流受到干扰微波后,若干扰微波向上游传播的速度为零,这正是急流与缓流这两种流动状态的分界,称为临界流。 即 。 缓流、急流、临界流三种流态的的判别式为: (1) (2) (3) (4) (5) 缓流: 急流: 临界流: 注: (1)-(3),(5)适用于均匀流或非均匀流,(4)只适用于均匀流。 6.底坡一定的渠道,是否就能肯定它是陡坡或缓坡? 为什么? 不能,临界底坡的大小与流量断面形状尺寸有关。 对一给定渠道,当流量发生变化时,它可以由陡坡变成缓坡,也可以由缓坡变成陡坡。 7.如果正坡棱柱形明渠水流的ES沿程不变,那么水流是否为均匀流? 如果ES沿程增加,那么水力坡度和底坡是否相同? 均匀流;不相同,非均匀流; 8.流量、渠道断面形状尺寸一定时,随底坡的增大,正常水深和临界水深分别如何变化? 减小;不变
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