什么是明渠恒定非均匀流?

[拼音]：mingqu hengding feijunyunliu

[外文]：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。

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（i


0。又按实际底坡i与临界底坡ic的相对大小分为缓坡i


ic、陡坡i


ic及临界坡i＝ic三种）、平坡(i＝0)及负坡(i


0)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。

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。