明渠水面线计算方法分析研究
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摘要
由于渠道底坡、糙率、横断面几何形状及尺寸、明渠上修建水工建筑物等,都会使明渠水深和流速等水力要素沿程改变,在明渠中形成非均匀流,给渠道水面线计算带来许多不便。人工渠道或河道中的水流大多数都属于明渠非均匀流,因此研究明渠非均匀流对解决生产实际问题有重要意义。
本文在定性分析明渠水面线特性及对现有的水面线计算方法分析研究基础上,提出了曲底型渠道水面线简化计算公式。通过与试验结果和数值模拟结果的对比,得出该方法在计算曲底型渠道时具有较高的精度,可以为工程设计及运行提供可靠的数值计算。
现有的分段求和法计算理论简单,操作方便,在没有计算机的前提下人工工作量太大。现借助于计算机,在简单的程序下就可实现水面线的推求。因此还是得到最广泛的应用。积分法和图表法由于其工作比较繁琐,所以在应用上受到一定的限制。各种简化公式应用起来比较的方便,并且可以得到满足工程要求的计算精度。
本文针对现有的水面线计算公式只是对应于固定坡度求解,但目前在一些大型工程中,曲面底坡渠槽也大量采用,如溢流堰曲线段,龙抬头曲线段,泄水槽的渥奇段,因为曲线底坡明槽可以很平缓实现底坡的过渡,使水流流态平稳。这些为非棱柱体明槽,目前在经典水力计算中介绍不全面,鉴于此,本文对其水面线计算公式进行了推导,得出了一套较完整的经典明槽水面线计算方法。此研究结果将对曲底明槽水面设计提供技术依据。
Since the channel slope, roughness, the cross-sectional geometry, building hydraulic structures make changes to the water depth and velocity in the open channel, which is non-uniform flow and brings much inconvenience to the calculation of water surface profile. Artificial channels and the river water are almost non-uniform flow, so the study of non-uniform open channel flow to solve the practical problems of production is of great significance.
In this paper, the characteristic of open channel water surface profile is qualitative analysised, the existing water surface calculation methods are summarized and verified. On this basis, a simplified calculation formula for water surface profile on open channel with arch bed is carried out. With comparison of test results and numerical simulation results, the method has high precision in calculating on the open channel with arch bed, can be used for engineering design and provide a reliable numerical calculation.
The existing sub-sum method is simple, easy to operated, in the absence of computer it needs too much human work. It can be done easily with the use of computers through a simple process . So this method gets the most widely used. Integration and charts of work because of their relatively tedious, are restricted in the application subject.
In this paper, the existing water surface calculation method is only for a fixed slope, but in some major projects, sloping surface is also widely used at the end of drainage trough, such as overflow weir curve, the curve of Longtaitou, the Woqi surface, The slope can achieve very gentle slope at the end of the transition, so that there will be a smooth flow pattern at the end. These non-prismchannel, in classic hydraulic calculation is not presented in full. In the view of this, its surface -Formula was derived, that a more complete surface trough of the classic line calculation. The results will provide technical basis for the design surface.
本文在定性分析明渠水面线特性及对现有的水面线计算方法分析研究基础上,提出了曲底型渠道水面线简化计算公式。通过与试验结果和数值模拟结果的对比,得出该方法在计算曲底型渠道时具有较高的精度,可以为工程设计及运行提供可靠的数值计算。
现有的分段求和法计算理论简单,操作方便,在没有计算机的前提下人工工作量太大。现借助于计算机,在简单的程序下就可实现水面线的推求。因此还是得到最广泛的应用。积分法和图表法由于其工作比较繁琐,所以在应用上受到一定的限制。各种简化公式应用起来比较的方便,并且可以得到满足工程要求的计算精度。
本文针对现有的水面线计算公式只是对应于固定坡度求解,但目前在一些大型工程中,曲面底坡渠槽也大量采用,如溢流堰曲线段,龙抬头曲线段,泄水槽的渥奇段,因为曲线底坡明槽可以很平缓实现底坡的过渡,使水流流态平稳。这些为非棱柱体明槽,目前在经典水力计算中介绍不全面,鉴于此,本文对其水面线计算公式进行了推导,得出了一套较完整的经典明槽水面线计算方法。此研究结果将对曲底明槽水面设计提供技术依据。
Since the channel slope, roughness, the cross-sectional geometry, building hydraulic structures make changes to the water depth and velocity in the open channel, which is non-uniform flow and brings much inconvenience to the calculation of water surface profile. Artificial channels and the river water are almost non-uniform flow, so the study of non-uniform open channel flow to solve the practical problems of production is of great significance.
In this paper, the characteristic of open channel water surface profile is qualitative analysised, the existing water surface calculation methods are summarized and verified. On this basis, a simplified calculation formula for water surface profile on open channel with arch bed is carried out. With comparison of test results and numerical simulation results, the method has high precision in calculating on the open channel with arch bed, can be used for engineering design and provide a reliable numerical calculation.
The existing sub-sum method is simple, easy to operated, in the absence of computer it needs too much human work. It can be done easily with the use of computers through a simple process . So this method gets the most widely used. Integration and charts of work because of their relatively tedious, are restricted in the application subject.
In this paper, the existing water surface calculation method is only for a fixed slope, but in some major projects, sloping surface is also widely used at the end of drainage trough, such as overflow weir curve, the curve of Longtaitou, the Woqi surface, The slope can achieve very gentle slope at the end of the transition, so that there will be a smooth flow pattern at the end. These non-prismchannel, in classic hydraulic calculation is not presented in full. In the view of this, its surface -Formula was derived, that a more complete surface trough of the classic line calculation. The results will provide technical basis for the design surface.
引文
[1]吴持恭 水力学[M]北京:高等教育出版社,1998.
[2]吕宏兴等.水力学[M],中国农业出版社,2002.
[3]数学手册编写组,数学手册[M],北京:高等教育出版社,1979.
[4]李家星 赵振性,水力学[M],河海大学出版社,2005.
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[6]郭世兴,水面线计算中值得商榷的几个问题[J],陕西水利水电技术,2006,1:30-32
[7]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.
[8]Launder B E,Spalding D B.Lectures in Mat hematical Models of Turbulence[M].Academic Press,London,England,1972.
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