流体在明渠中的流动

引　子

俗话说:“人往高处走，水往低处流”，后一句话对管道流动虽然不合适，但对江河水流流动是适合的，生活中观察可见，所有的河流绝大部分区域都是上游至下游河道高程逐步降低，所有河流随地形蜿蜒起伏，河床断面时大时小。可以发现河流还有下列特点:

江河水位不停变化。在长江等江河乘轮渡过江时会发现，冬天枯水期江水水位较低，乘客上船、下船需走很长的堤岸;夏天丰水期则江水水位较高，乘客上船、下船需走的堤岸较短。大洪水到来时，江河水位很高，甚至超过堤防，而需要防洪抢险，同时水流流速也很高;当上游来水较少时，江河水位很低，甚至露出沙洲，形成浅滩，影响船舶航行，同时流速也很低。由此可以看到，河道、渠道内水流流动具有自由升降的水面，河道断面和水流所占区域也会发生变化，水流流速也会发生变化。

这是因为江河水流是具有自由水面的流动，也就是江河水流仅受河床的束缚，在水面方向是不受束缚的。这与完全受管道束缚的管道水流不同。当江河上游下泄的流量增大时，除了流速会相应增大，还需以增大的水流断面让其通过，这时江河水位就会上涨。当然江河上游下泄的流量减小时，流速会相应减小，所需的水流断面也将减少，这时江河水位就会下降。而管道水流由于受管道的束缚，当水流流量增加或减少时，仅仅在水流流速方面增大或减小。

有的河流悄无声息，有的河流声声震耳。在平原旅行时会发现，身旁的河流静静地流淌着，悄无声息，河面受风的影响荡漾着水波纹。若有雨点或小石子落入河中，可见椭圆形水波纹向四周散开。在山区旅行时会发现，路旁的河流湍急，冲击着岸边和岩石发出的声响不绝于耳，有时隔着很远也能听到。若有雨点或小石子落入河中，可见自落入点沿顺水流方向逐渐张开的锐角形扩散波纹。

这里反映了江河水流的另一特点，也就是江河水流中存在着两种不同的流态:缓流和急流。当然介于其中的还有临界流。这三种流态与空气动力学中的亚音速流、超音速流和音速流有部分相近的特点。

明渠也称为明槽，是一种用于输送具有自由面水流的水道。在自然界和实际工程中常见的明渠有人工渠道、天然河道以及未充满水流的管道(如输水隧洞、涵洞等)。由于明渠水流具有自由面，其表面上的压强为大气压强，相对压强为零，因此也称为无压流。由于自由面的存在，使得明渠水流状态完全不同于管道水流状态，再加上各种明渠受地形、土质等诸多因素的影响，水流流动的复杂性将大于管道水流的复杂性。也说明明渠水流的水力计算将不同于管道水流的计算。

同管道水流流动一样，明渠水流流动也可以分为恒定流和非恒定流，以及均匀流和非均匀流(其中非均匀流可以分为渐变流和急变流)。受篇幅的限制，本章将集中研究明渠恒定流，对于非恒定流，可以参阅其他相关文献。根据循序渐进的原则，本章首先讨论明渠恒定均匀流，然后是恒定非均匀渐变流。此外，还将介绍一些急变流动如水跃，这些流动主要以局部损失为主。由于实际工程中的明渠水流一般属于紊流，其流动结构接近和处于阻力平方区，本章所讨论的明渠流动均限于这种情况。

分析研究明渠水流流动按照一维流动法来进行，本章将根据明渠恒定流的特点使用一维总流的连续方程和能量方程对明渠恒定均匀流和恒定非均匀渐变流进行研究;使用一维总流的连续方程和动量方程对恒定非均匀急变流进行分析。研究和了解明渠水流运动规律的实际意义在于:明渠均匀流理论的学习将给出渠道设计的依据;明渠非均匀流水面曲线理论的学习将为确定渠道沿岸高程以及坝址上游淹没范围提供计算思路。