• 明渠流動

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    明渠流動

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    流體力學水力學中,明渠流動是一種在具有自由表面管道內的液體流動,稱為通道。導管內的另一種流動是管道流動。這兩種類型的流動在許多方面相似,但在一個重要方面有所不同:明渠流動具有自由表面,而管道流動則沒有。

    流量分類

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    明渠水流可以根據水流深度隨時間和空間的變化以多種方式進行分類和描述。明渠水力學中處理的基本流動類型是:

    • 時間為準則
      • 穩流
        • 流動深度不隨時間變化,或者如果它可以假設在所考慮的時間間隔內是恒定的。
      • 不穩定流動
        • 流動的深度確實隨時間而變化。
    • 空間為準則
      • 均勻流動
        • 通道的每個部分的流動深度都是相同的。均勻流可以是穩定的也可以是不穩定的,這取決于深度是否隨時間變化(盡管不穩定的均勻流很少見)。
      • 變流
        • 流動深度沿通道長度變化。從技術上講,變流可能是穩定的或不穩定的。變流可以進一步分為快速或漸變:
          • 快速變化的流量
            • 深度在相對較短的距離內突然變化。快速變化的流動被稱為局部現象。例子是水力跳躍和水力下降。
          • 漸變流量
            • 深度隨距離變化。
      • 連續流動
        • 在所考慮的通道的整個范圍內,放電是恒定的。這通常是穩定流量的情況。這種流動被認為是連續的,因此可以使用連續穩定流動的連續性方程來描述。
      • 空間變化流
        • 穩定流的排放沿通道是不均勻的。當水沿著流動過程進入和/或離開通道時,就會發生這種情況。進入渠道的流量示例是路邊排水溝。流出渠道的一個例子是灌溉渠道。這種流動可以使用連續非定常流動的連續性方程來描述,需要考慮時間效應,并包括一個時間元素作為變量。

    明渠流動

    流動狀態

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    明渠流動的行為受粘度和重力相對于流動慣性力的影響。表面張力的貢獻很小,但在大多數情況下并沒有發揮足夠重要的作用,無法成為控制因素。由于存在自由表面,重力通常是明渠流動的最重要驅動力;因此,慣性力與重力的比值是最重要的無量綱參數。為了簡化方程的最終形式,可以做幾個假設:

    • 流動是不可壓縮的(這對于快速變化的流動來說不是一個好的假設)
    • 雷諾數足夠大,以至于粘性擴散可以忽略不計
    • 流在x軸上是一維的

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    1. 明渠流動
    2. 流量分類
    3. 流動狀態

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