臨界流

臨界流：當明渠中水流受到干擾微波後，若干擾微波向上游傳播的速度為零，這正是急流與緩流這兩種流動狀態的分界，稱為臨界流。

基本介紹

• 中文名：臨界流
• 外文名：critical flow
• 含義：急流與緩流這兩種流動狀態的分界
• 自然條件：溫度
• 特點：上臨界流速較大

流動型態轉變時，水流的斷面平均流速稱為臨界流速，把從層流轉變為紊流時的叫上臨界流速，而把紊流轉變為層流時的叫下臨界流速。上臨界流速較大。多次實驗表明，在不同溫度下，管中水流的下臨界流速值比較穩定，上臨界流速易受干擾，其值極不穩定。

原理

臨界流是緩流與急流兩種流態的分界點，臨界流時的斷面平均流速稱為臨界流速，以表示。它與干擾波的波速（c)正好相等，即臨界流是相當於弗勞德數的流動。此時，水流的慣性力作用與重力作用恰好相等。臨界流時的水深稱為臨界水深，以表示。從能量角度來分析，以斷面最低點為基準的斷面單位能量或比能可寫成

明渠斷面比能與水深關係圖

底坡較小（渠底與水平面夾角<6°)時，可簡化為

可見，當斷面形狀尺寸和流量大小一定時，渠槽斷面比能（）只是水深（h）的函式,且存在一最小值（見圖）。通過對式（1)求一階導數，令其為零，可得臨界流是緩流與急流兩種流態的分界點，臨界流時的斷面平均流速稱為臨界流速，以表示。它與干擾波的波速（c)正好相等，即臨界流是相當於弗勞德數的流動。此時，水流的慣性力作用與重力作用恰好相等。臨界流時的水深稱為臨界水深，以表示。

從能量角度來分析，以斷面最低點為基準的斷面單位能量

過水斷面上並取a=1.0，上式可寫作

這就是說，斷面比能()最小時，,為臨界流。臨界水深()即相應於圖中曲線的C點。因此，可用臨界流的水力要素、來區分緩流和急流的流態。

對緩流，，，，相應於曲線的上支；對急流，，，，相應於曲線的下支。

以、分別表示臨界水深()時相應過水斷面面積和水面寬度，則任意形狀斷面臨界水深計算式為

上式為的隱函式形式，需試算法求解。對矩形斷面的臨界水深計算式為

式中，q為單寬流量。

套用

臨界流態很不穩定，由曲線可知，斷面比能（）稍有變化，將引起水深的較大改變。由觀測知，當接近臨界流態時，水面形成不穩定的波狀。由於渠槽的糙率、過水斷面、底坡或泥沙沉積等的變動引起能量的微小變化，都可使臨界流態產生上述波狀擺動。因此，在渠槽設計中，為了保證流態穩定應當改變底坡或斷面形狀，以避免發生或接近臨界流態。