明渠水面线计算方法分析研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与目的意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究历史及现状
• 1.2.2 国内研究历史及现状
• 1.3 研究存在的问题及发展趋势
• 1.4 研究主要内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 第二章 传统水面线计算方法分析
• 2.1 棱柱体渠道水面曲线的定性分析
• 2.2 水面线计算基本依据
• 2.3 逐段求和法
• 2.3.1 基本计算公式
• 2.3.2 水面曲线的计算类型常见的两类类型;
• 2.4 牛顿迭代法求解
• 2.4.1 伯努力能量方程式的简化
• 2.4.2 牛顿迭代公式的导出
• 2.4.3 收敛条件的判断
• 2.5 明渠非恒定流的特征线解法
• 2.6 目前探讨出的水面线新计算方法简介
• 2.6.1 以上游控制水位为基准的一种新型计算方法
• 2.6.2 忽略流速水头影响的一种简化河渠水面线计算方法
• 2.6.3 矩形渠道断面水面线计算简化式
• 2.6.4 棱柱体渠道水面曲线的编程计算
• 第三章 曲底明渠水面线计算方法研究
• 3.1 曲底明渠水面线计算方法研究
• 3.1.1 计算公式的导出
• 3.1.2 渥奇段水面线求解
• 3.2 模型试验
• 3.2.1 模型设计
• 3.2.2 模型试验方法
• 3.2.3 试验结果
• 3.3 渥奇面水面线的数值模拟
• 3.3.1 VOF方法模拟自由水面
• 3.3.2 方程的离散与求解方法
• 3.3.3 计算结果分析
• 3.4 计算实例
• 3.5 结论
• 第四章 结论与建议
• 4.1 主要结论
• 4.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介