明渠流动

在流体力学和水力学中，明渠流动是一种在具有自由表面的管道内的液体流动，称为通道。导管内的另一种流动是管道流动。这两种类型的流动在许多方面相似，但在一个重要方面有所不同：明渠流动具有自由表面，而管道流动则没有。

明渠水流可以根据水流深度随时间和空间的变化以多种方式进行分类和描述。明渠水力学中处理的基本流动类型是：

• 时间为准则
  • 稳流
    • 流动深度不随时间变化，或者如果它可以假设在所考虑的时间间隔内是恒定的。
  • 不稳定流动
    • 流动的深度确实随时间而变化。
• 空间为准则
  • 均匀流动
    • 通道的每个部分的流动深度都是相同的。均匀流可以是稳定的也可以是不稳定的，这取决于深度是否随时间变化（尽管不稳定的均匀流很少见）。
  • 变流
    • 流动深度沿通道长度变化。从技术上讲，变流可能是稳定的或不稳定的。变流可以进一步分为快速或渐变：
      • 快速变化的流量
        • 深度在相对较短的距离内突然变化。快速变化的流动被称为局部现象。例子是水力跳跃和水力下降。
      • 渐变流量
        • 深度随距离变化。
  • 连续流动
    • 在所考虑的通道的整个范围内，放电是恒定的。这通常是稳定流量的情况。这种流动被认为是连续的，因此可以使用连续稳定流动的连续性方程来描述。
  • 空间变化流
    • 稳定流的排放沿通道是不均匀的。当水沿着流动过程进入和/或离开通道时，就会发生这种情况。进入渠道的流量示例是路边排水沟。流出渠道的一个例子是灌溉渠道。这种流动可以使用连续非定常流动的连续性方程来描述，需要考虑时间效应，并包括一个时间元素作为变量。

明渠流动的行为受粘度和重力相对于流动惯性力的影响。表面张力的贡献很小，但在大多数情况下并没有发挥足够重要的作用，无法成为控制因素。由于存在自由表面，重力通常是明渠流动的最重要驱动力；因此，惯性力与重力的比值是最重要的无量纲参数。为了简化方程的最终形式，可以做几个假设：

• 流动是不可压缩的（这对于快速变化的流动来说不是一个好的假设）
• 雷诺数足够大，以至于粘性扩散可以忽略不计
• 流在x轴上是一维的