临界流

流动型态转变时，水流的断面平均流速称为临界流速，把从层流转变为紊流时的叫上临界流速，而把紊流转变为层流时的叫下临界流速。上临界流速较大。多次实验表明，在不同温度下，管中水流的下临界流速值比较稳定，上临界流速易受干扰，其值极不稳定。

明渠断面比能与水深关系图临界流是缓流与急流两种流态的分界点，临界流时的断面平均流速称为临界流速，以表示。它与干扰波的波速（c)正好相等，即临界流是相当于弗劳德数的流动。此时，水流的惯性力作用与重力作用恰好相等。临界流时的水深称为临界水深，以表示。从能量角度来分析，以断面最低点为基准的断面单位能量或比能可写成

底坡较小（渠底与水平面夹角<6°)时，可简化为

可见，当断面形状尺寸和流量大小一定时，渠槽断面比能（）只是水深（h）的函数,且存在一最小值（见图）。通过对式（1)求一阶导数，令其为零，可得临界流是缓流与急流两种流态的分界点，临界流时的断面平均流速称为临界流速，以表示。它与干扰波的波速（c)正好相等，即临界流是相当于弗劳德数的流动。此时，水流的惯性力作用与重力作用恰好相等。临界流时的水深称为临界水深，以表示。

从能量角度来分析，以断面最低点为基准的断面单位能量

过水断面上并取a=1.0，上式可写作

这就是说，断面比能()最小时，,为临界流。临界水深()即相应于图中曲线的C点。因此，可用临界流的水力要素、来区分缓流和急流的流态。

对缓流，，，，相应于曲线的上支；对急流，，，，相应于曲线的下支。

以、分别表示临界水深()时相应过水断面面积和水面宽度，则任意形状断面临界水深计算式为

上式为的隐函数形式，需试算法求解。对矩形断面的临界水深计算式为

式中，q为单宽流量。^[1]

临界流态很不稳定，由曲线可知，断面比能（）稍有变化，将引起水深的较大改变。由观测知，当接近临界流态时，水面形成不稳定的波状。由于渠槽的糙率、过水断面、底坡或泥沙沉积等的变动引起能量的微小变化，都可使临界流态产生上述波状摆动。因此，在渠槽设计中，为了保证流态稳定应当改变底坡或断面形状，以避免发生或接近临界流态。^[1]