二分之五次方抛物线形明渠设计及提高水力特性效果

为提高抛物线形断面的水力特性,增加输水能力,该文提出了一种二分之五次(以下简称2.5次)方抛物线形渠道断面,推导其水力断面特性。将湿周用高斯超几何函数表示后,将水力最优断面的最优化模型转换为关于宽深比的一元方程,得到2.5次方抛物线形渠道水力最优断面的解析解,其最优宽深比为2.088 3。比较结果表明,2.5次方抛物线形断面较常规抛物线形断面具有更好的水力学特性。与平方、半立方抛物线形断面比较,在相同水深条件下,2.5次方抛物线形水力最优断面的过流能力更大。相反,在相同流量下,2.5次方抛物线形水力最优断面的过流面积、湿周、水深更小。2.5次方抛物线形水力最优断面的建造成本与其他2种断面相比是最小的。进一步地,为便于工程应用,基于高斯勒让德算法,提出2.5次方抛物线形断面的三点和四点格式近似湿周算法。结果表明,四点格式近似算法具有较高精度。研究可为明渠设计提供理论依据。     

抛物线形断面渠道正常水深的显式计算

明渠均匀流正常水深是渠道设计、运行管理的重要水力要素,而其水力计算公式为复杂的隐函数,不能直接求解。该文针对水力性能优良的抛物线形断面渠道,依据明渠均匀流基本原理,基于实用经济断面,通过变量置换和方程变形,利用R软件基于麦夸特法优化模型参数,提出一套求解正常水深的显式计算公式。通过实例分析和误差计算,表明,所建立的显式计算公式在工程适用范围内最大相对误差小于0.55%,具有较高的精度,且公式物理概念清晰、计算方便快捷、通用性强,可为渠道工程设计和运行管理提供参考。     

U形渠道正常水深的直接水力计算公式

针对水力性能优良的U形渠道,依据明渠均匀流基本原理,以过水断面水深恰好等于U形底弧弓高时断面过流量作为分界流量Qb,引入断面特征参数和无量纲相对正常水深,采用麦考特优化法,以离差平方和最小为目标,利用SAS软件编程,通过最优化拟合建立了U形渠道正常水深直接水力计算公式。通过误差分析表明,所建公式在渠道过流量Q小于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均小于0.44%;渠道过流量Q大于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均不超过1%,可见公式具有较高的精度,且物理概念清晰、计算方便快捷;该公式不仅可用于解决宽浅式渠道正常水深水力计算,也适用于窄深式渠道正常水深的水力计算,具有较强的通用性,可为渠道工程设计和运行管理提供理论依据和有益参考。     

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。     

梯形断面收缩水深的直接计算公式

梯形断面渠道是比较常用的断面形式之一,其收缩水深的计算需求解高次隐函数方程,传统的图解法或者试算法计算过程复杂,费时费力且误差较大,针对此种状况欲提出一种直接计算公式。通过引入无量纲水面宽度,对梯形断面收缩水深的基本方程进行恒等变形,得到了快速收敛的迭代公式,在工程常用范围即无量纲收缩水深在[0.01,0.5]范围内,对公式进行了优化计算,取得了合理的迭代初值。从而得到梯形断面收缩水深的直接计算公式。误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,收缩水深的最大相对误差仅为0.26%,直接计算公式形式简捷、精度高、适用范围广。     

平底悬链线形明渠水力最优断面求解

断面设计是渠道设计的重要内容之一,适宜的渠道断面不仅能够增加过流能力,提高输水效率,减小输水损失,还能降低建造成本。该文提出了一种具有平底和悬链线形侧边的明渠断面。这种断面将平底和悬链线侧边平滑连接,既具有平底断面建造容易、灵活,管护方便,底部容易压实,侧边和平底可以用不同材料建造(以降低成本)等优点,也具有悬链线形断面过流能力大、无应力集中拐角、不宜渗漏、防冻胀能力强,耐久性好等优点,可广泛应用于大、中、小型渠道及寒区,具有良好的实用价值。推导了过流面积、湿周、水面宽度等水力断面特性计算公式。提出了一个更简单的正常水深的迭代算法。基于拉格朗日乘子法,推导出了平底悬链线形明渠的水力最优断面,结果表明其水力最优断面的底宽与水深比、水面宽与水深比、底宽与形状系数比、水面宽度与形状系数比、形状系数与水深比均为常数:宽深比等于0.405,形状系数与水深比等于0.474,水面宽与水深的比值为2.112,底宽与形状系数的比值为0.855。与现有平底断面(梯形、平底抛物线形、平底半立方抛物线形)进行了比较,结果表明,在过流面积或湿周一定的情况下,平底悬链线形断面的过流能力最大,相反,在流量一定的情况下,平底悬链线形断面的过流面积、湿周、水面宽度是最小的。与传统的悬链线形渠道进行了比较,增加平底后,在同等条件下,平底悬链线形渠道水力最优断面的过流能力不仅没有降低,反而增加了,意味着其经济性也优于传统的悬链线断面。研究为平底悬链线形渠道设计提供理论支撑。     

数值积分法计算抛物线形渠道恒定渐变流水面线

针对目前差分试算法、迭代法及图解法求解水面线存在着计算过程繁复、误差较大的问题,该文通过对抛物线断面渠道恒定渐变流水面线微分方程进行恒等变形,并对引入的特征水深与特征湿周的关系进行分析及计算,重点考察工程实际中常用的特征水深范围为0.6~1.5 m的抛物线形断面渠道,依据最小二乘法进行回归分析将方程中的特征湿周由不可积函数替代为可积分的幂函数,实现了由有限差分逐一断面推算到数值积分法的直接求解。与现有方法相比,该抛物线形断面渠道恒定渐变流水面线简化计算公式具有工作效率明显提高、精度好的特点。实例计算及误差分析表明:在工程实用范围内(特征水深范围0.6~1.5 m)该公式最大相对误差仅为0.17%,对生产实践具有实用推广意义。     

普通城门洞形隧洞正常水深的直接计算方法

普通城门洞形过水断面是泄洪隧洞和灌溉引水隧洞较常采用的断面形式之一,其水力计算中的正常水深求解无显函数形式的表达公式。传统的试算法或查图法不仅计算过程繁琐,而且计算精度不高。该文通过对城门洞形断面均匀流方程进行数学变换,并对引入的无量纲参数与相对正常水深的关系进行分析及计算,应用逐步优化拟合原理进行拟合,得到了普通城门洞形断面均匀流水深的直接计算表达式。实例计算及误差分析表明：在工程实用范围内（正常水深与拱顶半径之比在0.20到1.55之间）,直接计算公式最大相对误差不超过0.24%。且该式具有物理概念清晰明确、公式形式简捷等优点,可为工程设计及水工设计手册的编制提供有益的参考。     

明流条件下圆形隧洞正常水深与临界水深的直接计算

无压流圆形断面水力计算中的正常水深、临界水深求解无解析表达式,传统的试算法或查图法不仅计算过程繁琐复杂,而且计算精度不高。该文通过对圆形断面均匀流方程与临界流方程的数学变换,分别得到其正常水深与临界水深的牛顿迭代公式,同时,通过对正常水深与临界水深对应的中心角与引入参数之间关系的分析及数值计算,利用最优一致逼近原理分别得到了正常水深与临界水深对应中心角的近似计算式,并以此近似计算式为初值,用迭代方程进行一次迭代得到了圆形断面均匀流水深与临界流水深的直接计算公式。实例计算及误差分析表明：在工程实用范围内该法正常水深与临界水深最大相对误差分别为0.32%和0.0049%,如用该近似结果再迭代一次,精度高出103倍和105倍。     

U形渠道抛物线形移动式量水堰板研究

该文提出了U形渠道抛物线形移动式量水堰板，研究量水堰板的壅水高度、临界淹没度、喉口水深-流量关系与渠道断面、比降和喉口收缩比的关系，给出了喉口收缩比范围和流量系数计算公式，分析了其测流误差。研究表明：U形渠道抛物线形移动式量水堰板，量水精度较高，结构简单, 造价低，使用方便，可用于各种小U形灌排渠道的移动式测流。     

隧洞明满流边界下滇中引水工程闸门过流特性

传统的水闸流量关系是在上游明流条件下试验得到的，但关于上游明流向有压流过渡的非恒定流状态时，流量关系的规律及计算方法缺乏探索，而这一规律对于中国在建的大量长距离输水隧洞出口闸门的调控十分关键。该研究通过三维数值模拟，建立实际的渠隧系统三维流体力学模型，探究明满流上游边界下闸门过流特性，并尝试探索在非恒定流工况下适配的过闸流量计算数学模型。结果表明：1）事故调度闸门突然关闭时，上游隧洞内出现无压-有压过渡流态，最大压力水头约为33 m，该研究提出一种改进的无量纲公式计算流量，即在闸前总水头中考虑上游隧洞内压力水头；2）无量纲公式相较于传统公式平均率定误差降低4个百分点，提出的无压-有压流态流量计算统一率定模型最大相对误差为4.68%，精度较高。该研究所提出的流量计算方法对长距离渠隧系统调度具有参考价值，也可为实际工程的管理提供可靠技术支撑，对于工程的安全稳定运行及灌区的正常输配水具有重要意义。     

基于诊断函数的薄层流对数律研究

薄层流是一种特殊形态的明渠流,其特点是水深浅薄。为探讨薄层流流速分布是否满足对数律,该研究利用高分辨率粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术,分析8组薄层流(水深0.49～1.1 cm,雷诺数835～2 877)及1组深水明渠紊流(对照)床面至水面的流速分布、紊动强度及雷诺应力。并基于诊断函数,研究薄层流流速是否满足对数律、对数区的范围及卡门常数变化规律。结果表明,薄层流的无量纲流速从过渡区开始偏离深水明渠水流中的理论曲线;薄层流的流向紊动强度大于深水明渠紊流,但垂向紊动强度小于深水明渠紊流,随着水深的增加,两者的紊动强度逐渐重合;雷诺应力的特征表明,随着水深的增加,受黏性力影响的范围越来越小。薄层流诊断函数曲线的特征说明薄层流中不存在严格意义的对数区,但当水深极浅时(水深≤0.53 cm),流速基本满足对数律,且卡门常数在0.2～0.3范围内。当水深和雷诺数增加,薄层流诊断函数曲线出现波动而不再近似水平。为方便实际计算,若允许诊断函数有一定的倾斜,对数区在极大值与极小值之间的范围,薄层流的卡门常数随着雷诺数的增加而增加。此外,薄层流对数区的范围并非稳定,随着雷诺数的增加,对数区影响的范围变大。该研究可为薄层流的理论研究和流速计算提供参考。     

渠系前馈蓄量补偿控制时滞参数算法比较与改进

输水明渠系统控制算法主要由前馈及反馈模块组成,其中前馈模块较大程度上影响了系统控制性能。基于蓄量主动补偿的前馈控制算法受时滞参数影响较大,为比较现有多种算法实际控制性能优劣,并寻求不依赖复杂数值计算的简化时滞参数算法,该文进行了横向的算法比较与优化开发。文章基于蓄量阶跃补偿及蓄量二次补偿2类算法,结合改进比例-积分(proportional-integral,PI)反馈控制器,对典型测试渠系及实际工程渠系建模仿真,选取稳定时间、最大超调流量、绝对值误差积分(integral of absolute magnitude of error,IAE)和绝对流量变化积分(integrated absolute discharge change,IAQ)指标分析了蓄量阶跃补偿、动力波原理、水量平衡模型3种时滞参数算法的控制效果。结果显示,在实际工程渠系中,小流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减小40.42%;大流量工况下,蓄量阶跃补偿算法的最大超调流量最小,仅比目标流量高3%,该算法的稳定时间比水量平衡模型算法的稳定时间减少25.45%。结果表明蓄量阶跃补偿算法控制效果较好,但该算法在推求渠池所需蓄量补偿值时需进行水面线推求,文章依据渠道蓄量变化与流量变化间的线性关系,提出简化的时滞参数显式算法。较传统数值算法,时滞参数显式算法与蓄量阶跃补偿算法的时滞参数差值百分比小于8%,在满足实际工程需求的同时,可明显减少推求所需蓄量补偿值的计算量。文章的比较结论及所提出的简化算法对输配水渠道系统,尤其是大型渠道系统调度具有一定的理论价值和应用前景。