基于跌坎压力自相似分布的明渠水深-流量关系推求

明渠流量计量是高效灌溉、合理分配水资源和进行用水有效管理的重要手段。跌水是常见的明渠水流上下游衔接的水利设施。当跌落水流不受跌坎下游水流影响时形成自由跌流，可用于明渠流量的精确计量。受自由跌流影响，跌坎断面水流由缓流向急流转变，压力分布显著偏离静水压力分布规律。而获得跌坎压力分布及其准确描述方程则正是明渠自由跌流流量公式推求的关键，其准确与否决定了利用跌流进行流量计量的精度。本文首先通过模型试验和数值计算对矩形明渠自由跌流的断面压力分布特征进行研究，而后利用理论推导建立了明渠跌流的水深-流量关系公式。研究发现明渠跌水跌坎断面压力呈典型自相似分布规律，其无量纲压力值分布倾向于一条曲线，压力最大值为0.238 he (跌坎水深），出现在竖向距跌坎0.209 he水深处，并且压力自相似分布规律与明渠流量、渠道底坡和边壁糙率无关。在此基础上，结合幂函数和尾迹函数提出了描述跌坎断面压力分布的函数方程，并给出了最大压力和最大压力位置的计算公式，然后根据动量方程和流量连续方程推求了明渠自由跌流的流量计算公式。最后，对本文和其他研究者提出的流量计算公式采用试验数据进行了对比分析，结果表明本文提出的流量公式在明渠底坡Q = 5~100 L/s, S = -0.0112~0.0534, n = 0.093~0.0193的研究范围内，具有更高的精度和适用性，计算误差在±5%之内，可适用于该流量、底坡和边壁糙率范围内矩形明渠自由跌流的流量精确计算。本文研究结果对于利用自由跌流进行明渠流量计量提供了理论与技术支撑，具有重要的工程应用价值。     

陡坡粗糙矩形明渠中自由跌流的水力特性

在矩形明渠中，自由跌水可作为其流量计量设施，具有简单方便、运行维护容易的特点。工程中，矩形明渠底坡往往为陡坡，边壁因材料限制通常较粗糙，体现为陡坡粗糙渠道的特征。目前对此类明渠中设置跌坎后，跌坎上的水力特征性研究较少。本文采用模型试验的方法对不同底坡S、不同边壁粗糙度n的矩形明渠中的自由跌水水力特性进行了研究。试验中，底坡范围为0.002 6到0.097 3之间，明渠边壁糙率系数在0.009 3到0.019 3之间，明渠水流弗洛德数Fr₀在1.0到6.62之间，远超以前研究的范围。结果表明：在试验确定的底坡和边壁糙率系数范围内，明渠跌坎上游水流为急流，自由跌流坎末水深h_e与其上游临界水深h_c之比值h_e/h_c与√S/n呈线性相关。另外，受自由跌水影响的跌坎上游长度L只与底坡和边壁糙率系数有关，而与渠道流量无关。对陡坡渠道而言，h_e/h_c值随着水流弗洛德数的增加而呈对数减小。最后本文根据试验数据提出了陡坡粗糙矩形明渠的自由跌流坎末水深与上游临界水深之比值h_e/h_c和√S/n，L和√S/n以及h_e/h_c和来流弗洛德数Fr₀的计算公式。本文通过增大底坡和边壁糙率的值，进一步扩展了前人关于明渠自由跌水的研究，这对于利用明渠自由跌水进行流量计量具有重要的工程应用价值。     

明渠断面流速与边壁切应力相关的试验研究

根据Ｐｒａｎｄｔｌ理论关于对数流速分布的假定,利用间接测量法测量了相同流量不同水深情况下明渠底部的切应力分布。结果显示,在明渠边壁糙率突然减少的两边流速分布和边壁切应力均有最大值。根据作者的试验结果,给出了槽底平均切应力τ０与明渠流弗汝德数Ｆｒ相关关系,可供参考。     

明渠断面流速与边壁切应力相关的试验研究

根据Ｐｒａｎｄｔｌ理论关于对数流速分布的假定,利用间接测量法测量了相同流量不同水深情况下明渠底部的切应力分布．结果显示,在明渠边壁糙率突然减少的两边流速分布和边壁切应力均有最大值．根据作者的试验结果,给出了槽底平均切应力τ０与明渠流弗汝德数Ｆｒ的相关关系,可供参考．     

非均质明渠中的综合糙率

对于沿湿周具有不同糙率的非均质明渠,水力计算的关键在于如何确定综合糙率(亦称等效糙率)n_r,现有计算综合糙率的方法,所得结果往往有明显差异,实际应用时难于选择。本文从分析非均质明渠中的阻力功入手,导出了一个计算综合糙率的新公式。利用收集到的八组试验资料验证表明:常用的几个计算公式均只能在一定条件下应用;本文导出的新公式在所述资料范围内,误差绝对值的平均值最小。     

梯形断面明渠流速分布的研究

为研究梯形断面明渠的流速分布律,应用经过实测资料验证的三维紊流数学模型,对12种不同底坡、不同糙率以及不同宽深比组合情况下的梯形断面明渠水流流速分布进行了数值仿真.结果表明,在明渠底部内区流速分布能很好地符合对数分布,但在明渠外区流速分布更符合乘幂函数分布,等效线平均流速沿横向的分布接近于乘幂函数分布.通过最小二乘拟合,得到了梯形断面明渠垂线流速分布律和等效线平均流速横向分布律.按流速分布律计算的流速值与实测值吻合较好,表明所给出的断面流速分布律是合理可靠的,可应用于梯形断面明渠流量的精确测量.     

三维紊流特性测量与理论分析

为充分反映流场的三维紊动特性,基于PIV技术进行了明渠水槽实验.采集了不同工况下的瞬时流速数据,利用统计法分析了流场的变化.结果表明:水槽紊流场中心点A的脉动速度随时间的变化呈正弦(余弦)函数变化;随着点A的涡线上升,槽底附近的涡体逐渐由马蹄涡演变为发卡涡;横、纵向时均流速沿垂线分布均符合指数流速分布,且指数n=7时,实验误差值最小,水平面的相对误差为1.1%,纵剖面的相对误差为1.15%;在水深比为0.1附近,相对紊动强度在明槽底部变化剧烈,随着水深比的增加,强度逐步降低.结果进一步证实了前人对雷诺应力的研究结果.     

窄深矩形断面明渠流速分布的研究

建立了一个三维紊流数学模型,对实际灌区中的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟.计算结果与实测结果符合得较好,表明数学模型及参数是合理可靠的. 运用该模型,对2种底坡、2种糙率以及3种宽深比组合情况下的窄深矩形断面明渠水流的流速分布进行了数值模拟,得出了窄深矩形断面明渠垂线流速分布律和垂线平均流速横向分布律,并应用实测资料验证了上述流速分布律. 结果表明,在明渠底部内区流速分布能很好地符合对数分布律,但在明渠外区流速分布则符合抛物线分布,垂线平均流速沿横向的分布接近于幂函数分布,给出的断面流速分布经验公式具有很好的精度.     

大底坡明渠的非恒定流计算

大底坡明渠是常见的水工建筑物，其非恒定流计算一直未能得到很好的解决。通过“分段削平”底坡，利用圣维南方程，并联合分段面的连续方程及能量方程，进而利用法求解非线性方程组，得到了大底坡明渠非恒定流的合理结果。     

不同人工植被分布条件下坡面水流动力学特性试验研究

基于一系列坡面流试验研究了人工植被条件下的坡面水流动力特性,即水深、流速、弗劳德数、雷诺数及阻力系数随不同植被分布条件、流量和坡度的变化规律。试验包括11°、13°、15°和18°等4种坡度,单宽流量为0.64-5.5L/s.m。试验结果表明,水动力学参数受植被分布影响显著,植被的阻水减速效果明显,阻力系数f随坡度以及弗劳德数增大而降低,阻力系数与雷诺数基本上呈幂函数负相关,随着坡度的增加,其相关性减弱。通过引入植被分布特征角及坡面水流参数,建立了植被坡面水流阻力达西系数计算方法。