梯形断面消力池扩散型消能计算

针对目前NB/T 35023—2014《水闸设计规范》只涉及矩形断面消力池,未涉及梯形断面消力池消能计算的问题,基于水力学基本理论和数值分析理论对梯形断面消力池消能计算进行研究,推导了梯形断面收缩水深的解析计算式以及梯形断面消力池扩散型消能跃后共轭水深基本方程,并利用高次方程求解理论分别给出棱柱体梯形断面跃后共轭水深的解析计算式和扩散型消能跃后共轭水深的简易迭代求解公式,并根据消能计算方程,给出梯形断面消力池扩散型消力池池深、池长的计算式。工程实例计算结果表明,所提出计算式精度可靠。     

突然扩散水跃方程的显式解

泄水建筑物下游的消能防冲是保证水利工程安全的重要措施。突然对称扩散水跃是水跃消能的形式之一。分析了突然扩散水跃方程(以下简称突扩水跃方程)以及突扩水跃的水力特性, 研究了回流平均水深, 认为回流平均水深是跃前和跃后水深的函数, 同时又受突扩比的影响, 提出了系数α的经验式, 并应用动量守恒原理推导了突扩水跃方程, 给出了该方程的显式解。试验验证表明, 突扩水跃方程显式解与试验结果吻合, 显式解与试验结果的平均误差为5.481%, 说明该显式解实用可靠, 精度高, 可用于计算实际工程问题。     

突然扩散水跃方程的改进与比较

为研究突然扩散水跃方程的特性,根据动量守恒原理,在回流区平均水深作为代表水深的假设下,推导了突然扩散水跃的一般方程。在改进了回流区平均水深具体表达式的基础上,得到了突然扩散水跃的新方程,并给出了有关参数的确定方法。将已有的和改进的突然扩散水跃方程求得的共轭水深比与试验结果进行了比较,结果表明:不同突扩比时改进后的方程求得的共轭水深比与试验结果的平均相对误差和最大相对误差最小,计算精度最高;且改进后的方程具有显式解,计算方便。因此,改进后的方程可用于突然扩散水跃共轭水深的水力设计。     

突扩式水跃共轭水深的直接解及验证

由于泄水建筑物下游的地形条件,突扩散水跃被广泛地应用于泄水建筑物下游消能防冲设计。文章建立了突扩水跃方程并用实验验证了它的直接解。在分析水跃段水流形态的基础上对突扩式水跃始端端墙断面压力作出假设,认为回流平均压力是水跃跃首压力、水跃跃末端压力及水跃扩散比的函数。然后,根据动量原理推导出突扩式水跃共轭水深的水跃方程。通过实验给出了回流水深计算式中有关参数的经验公式。建议了突扩式水跃共轭水深水跃方程的显式直接解。突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果与实验的对比表明,平均误差为5.564%,具有高的精度;与改进前突扩式水跃共轭水深水跃方程的计算结果对比说明,误差小于5%的实验组次增加了15组,占总实验组次的比例提高了16.5%,计算精度明显提高。而且计算过程简单,因此,可以用于水利水电工程的水力计算。     

梯形断面共轭水深的近似计法

在消能水力计算中常遇梯形明渠共轭水深的计算问题。本文根据梯形水平明渠水跃方程，通过二维优化拟合法给出了近似算式，与目前工程中采用的试算法、图解法相比，使求解工作简捷直观，成果精度足可满足工程设计要求，而且将变量区间由图解法的０．４≤α≤１．５、０≤Ｎ≤３．０扩大到０．４≤α≤１．８、０≤Ｎ≤５．０。     

R型水跃局部水头损失系数与跃后水深的计算

通过能量方程研究R型突扩水跃局部水头损失系数,完善水跃跃后水深计算的理论方法,为消力池跃后水深的计算提供新的思路。通过建立消力池出口扩散断面和跃后断面的能量方程,分析R型突扩水跃局部水头损失系数和水跃水深比的变化规律。结果发现:R型水跃相对局部水头损失系数是突然扩散断面弗劳德数和消力池突扩比的函数;相对局部水头损失系数既服从线性分布,又服从乘幂分布;水跃水深比是跃前断面弗劳德数和消力池突扩比的函数。提出了局部水头损失系数和水跃水深比的计算公式,并分别对其进行了验证。     

考虑扩散比影响的突扩水跃共轭水深计算研究

目前对突扩水跃消能中的跃后水深的理论研究还尚不成熟。根据已有文献的实验资料,对突扩式水跃回流区平均水深做出了假设,运用动量定理推导了计算突扩水跃共轭水深的理论方程,用实验资料确定了有关参数,得到了较高的精度计算方程,并利用实验资料与已有的几种共轭水深方程进行了比较。结果表明:新方程计算的跃后水深与实际更加相符。     

加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验分析

在总结国内外加糙消力池水力特性研究的基础上,给出密排加糙消力池的共轭水深和水跃长度的计算方法.根据W-S-Hughes等对密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的试验资料,利用量纲和谐原理研究密排加糙消力池的水跃方程和水跃长度随弗劳德数、跃前断面水深、跃后断面水深和壁面粗糙度的变化规律.结果表明:密排加糙消力池的共轭水深随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;水跃长度也是跃前和跃后断面水深、跃前断面弗劳德数和壁面粗糙度的函数;水跃区的消能率随着壁面粗糙度的增加而增加.提出了密排加糙消力池共轭水深和水跃长度的计算式,并用其他学者已有试验资料验证了计算式的可靠性.     

六圆弧蛋形断面共轭水深的简化计算

六圆弧蛋形断面共轭水深计算公式分段,且为复杂的超越方程,无法直接获解。通过对该种断面水跃共轭水深函数的进一步整理,获得了用无量纲面积倒数及无量纲静水压力表示的无量纲水跃函数,采用优化拟合方法分别对无量纲面积倒数及无量纲静水压力函数进行拟合替代,获得了可直接完成跃前及跃后断面水深计算的简化计算通式,计算过程简捷,方法直观,在工程适用参数范围内,最大计算误差小于0.8%。更多还原     

波状床面消力池水跃特性试验分析

研究波状床面水跃共轭水深和水跃长度对于波状床面消力池的设计极为重要。根据已有文献关于波状床面消力池水跃特性的试验资料,分析波状床面消力池共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度和水跃区消能率随跃前断面弗劳德数、壁面粗糙高度、跃前断面和跃后断面水深的变化规律。给出了波状床面水跃跃后水深的半理论公式和水跃旋滚长度、水跃长度的拟合公式,并对其进行验证,水跃共轭水深的平均误差分别为4.5%和3.3%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为7.4%和5.9%。研究表明,水跃跃后水深和水跃长度不仅是跃前断面弗劳德数的函数,还是壁面粗糙高度的函数;波状床面消力池水跃区消能率远大于一般混凝土壁面消能率,在相同弗劳德数情况下水跃区消能率随着壁面粗糙高度的增加而增加。     

突扩式水跃跃长的计算公式推导与验证

水跃长度为突扩式消力池设计的重要参数,对消力池安全稳定以及经济合理的影响效果显著。通过建立水跃区水体质点的运动方程,研究突扩式消力池水跃跃长的变化规律。提出了突扩式水跃跃长的半理论公式,并用已有文献的实测数据对其进行验证。研究表明突扩式消力池水跃长度是跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深、水跃共轭水深比和消力池突扩比的函数,并随着跃前断面弗劳德数、跃前断面平均水深和水跃共轭水深比的增大而增大。结果显示,公式计算的突扩式水跃长度平均误差为4.32%,在5种体形共48组工况下只有5组工况的水跃长度相对误差>10%,且最大相对误差为-12.52%,其余工况下相对误差均<10%。     

抛物线形渠道的水力特性

通过积分和数值积分研究了n次抛物线形渠道湿周的计算,根据明渠均匀流理论研究了n次抛物线形渠道的正常水深;根据明渠临界水深和水跃共轭水深的理论,研究了n次抛物线形渠道的临界水深、弗劳德数以及水跃共轭水深的计算方法。给出了n次抛物线形渠道湿周、正常水深、临界水深、弗劳德数和水跃共轭水深的通用计算式,给出了水跃共轭水深的迭代式,证明了迭代式的收敛性,通过实例验证了计算式的正确性。本研究提出的n次抛物线形渠道的正常水深、临界水深、弗劳德数和水跃共轭水深的计算方法具有通用性,计算简单、精度高,可以应用于实际工程。     

X型宽尾墩水跃方程的计算方法

由于X型宽尾墩的特殊性,将X型宽尾墩缺口内与缺口以上水流分为2股,并利用动量方程推导得到X型宽尾墩的水跃方程,并将其进行等价数学变换简化计算得到共轭水深比η,而后可得到跃后水深。以索风营、沙陀工程不同工况为例,计算出相应参数,代入简化水跃方程并计算出了共轭水深比η,最后计算得到的跃后水深,并与试验值进行误差分析,结果表明最大相对误差仅为-5.11%。该公式推导正确,理论可靠,计算便捷,首次从理论上提出了一套X型宽尾墩的水力计算方法,为工程设计和科学研究提供理论支撑。     

渐扩综合式消力池尾坎高度和作用力的计算

研究了渐扩综合式消力池深度、坎高和尾坎作用力的计算方法。根据水跃方程、堰流理论和前人对渐扩式消力池水跃长度、共轭水深和淹没系数的研究成果,分析渐扩综合式消力池的设计方法,根据动量方程研究尾坎的作用力。给出了渐扩综合式消力池深度、坎高和尾坎作用力的计算公式和计算步骤。提出的坎高和作用力的公式不仅适用于渐扩综合式消力池的设计,也适用于渐扩消力坎式消力池,计算方法新颖,过程简单,精度满足设计需求。     

用附加动量理论分析齿墩与消力池联合消能机理

用“附加动量”水跃理论分析齿墩与消力池联合应用的消能机理 ,用跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数 ,估计新增消能设施的经济效益。并通过模型试验验证了消能的理论分析 ,计算了新增设施的消能量、跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的百分数。结果表明 :采用齿墩设施 ,可增进消力池的消能作用 ,并取得显著的经济效益 ,达到了附加动量水跃理论所预期的效果     

圆形断面水跃共轭水深的迭代计算方法

基于圆形过水断面的几何特点与棱柱体水平明渠的水跃方程,推导出圆形断面的水跃方程。通过数学变换,得到了圆形断面水跃共轭水深计算公式。针对具体算例,采用图解法与迭代计算相结合的办法对圆形断面的共轭水深进行了求解。算例表明,该计算方法简单、结果精确,便于推广应用。