圆管明渠均匀流的新近似计算公式

分析总结了前人对圆管均匀流水力计算的研究成果,在此基础上运用拟合的方法得到了新的圆管明渠均匀流近似计算公式。此公式计算误差较小,特别是在β〈0．2时,公式计算精确度较高。在工程的常用范围内,即0．33〈β〈0．8时,此公式为线性方程,表达形式最为简洁。     

管流与明渠层流的总流机械能方程及机械能损失计算

管流与明渠流同属流体力学中的内流,其总流机械能方程在水力学中称为总流能量方程。现有水力学中的总流能量方程是以理想不可压缩液体的伯努利方程为基础得到的,无法得到总流机械能损失的表达式。该文作者曾直接从黏性不可压缩流体运动的控制方程出发分别得到了管流及明渠流的总流机械能方程,解决了以上问题。考虑到层流条件下明渠流自由表面的变形特点,该文在前述工作基础上,将管流及明渠流在层流条件下的总流机械能方程进行了统一,同时还分别计算了管流(圆管、不同长短半轴比的椭圆管、不同宽高比的矩形管和不同内外径比圆环管)及明渠流(不同宽深比的矩形明渠)在层流条件下的总流机械能损失系数。结果表明:在同一雷诺数条件下,圆管层流的总流机械能损失系数比椭圆管层流、矩形管层流、圆环管层流及较大宽深比的矩形明渠层流的机械能损失系数要小。     

明渠恒定均匀流机械能损失构成分析

明渠水流机械能损失的确定是水力学乃至工程流体力学中的重要内容。从明渠均质不可压缩液体恒定总流出发,以流体力学中黏性流体运动数学模型为基础,本质上揭示了机械能损失的构成和相互转化关系。成果表明矩形明渠均匀流紊流的机械能损失由时均流速梯度引起的损失与紊动能耗散引起的损失组成,当雷诺数较小时,时均流速梯度引起的损失是机械能损失的主要来源,而雷诺数较大时,紊动能耗散引起的损失是机械能损失的主要来源。在宽浅明渠中,雷诺数约为9.5×10³时,均流速梯度引起的损失和紊动能耗散引起的损失相等。     

人工加糙明渠糙率值与水流流态关系试验

采用3种不同粒径粗糙度的人工加糙明渠和光滑PVC壁面明渠,在9种不同底坡、6组不同的流量条件下,研究了明渠均匀流中糙率值与粗糙度、弗汝德数间相关关系。研究结果表明:(1)相同流量条件下:随着弗汝德数Fr的增大,糙率n值逐渐增大。同一弗汝德数Fr下,粗糙度Δ越大,糙率n值越大。(2)不同绝对粗糙度下:随着弗汝德数Fr增大,糙率n值增大。当Fr0.70时(即缓流),糙率n值与弗汝德数Fr有关,与绝对粗糙度Δ关系不大,即n=f(Fr);当0.7Fr1.0时(即缓流),糙率值n与弗汝德数Fr和绝对粗糙度Δ都有关系,即n=f(Fr,Δ);当Fr1.0时(即急流),糙率n值与绝对粗糙度Δ有关,与Fr关系不大,即n=f(Δ)。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。     

壅水情况下非均匀流糙率系数研究

非均匀流的水力特性不同于均匀流,水力特性的变化有可能引起糙率的变化。本文采用数值模拟的方法,运用立面二维数学模型对壅水情况下的明渠非均匀流进行模拟,研究非均匀流情况下水力特性和糙率系数的关系。研究表明:壅水情况下,非均匀流能量损失沿程减小,但糙率系数却是沿程增大的。非均匀流中能量损失及糙率系数之间的这种关系是不同于均匀流的,这是非均匀流不同于均匀流的特点之一。根据数值计算结果,拟合得到了较为实用的壅水情况下明渠非均匀流糙率的计算式。将该式用于水库回水水面线计算得到的结果与采用均匀流糙率的计算结果差别较明显,说明采用非均匀流糙率进行水库回水水面线计算是必要的。     

再论圆管明渠均匀流正常水深的直接计算公式

在总结前人圆管明渠均匀流正常水深计算公式的基础上,引入无量纲参数α和无量纲正常水深β,对圆管明渠均匀流基本方程进行数学变换,应用曲线拟合和优化原理,提出新的圆管明渠均匀流正常水深的直接计算公式;根据给水排水工程和水利工程设计规范的要求,并考虑工程实际情况,确定计算公式的工程适用范围。误差分析和计算实例表明:该公式形式简捷,精度较高,在工程适用范围内最大相对误差小于0.72%,可以方便工程设计人员在设计中直接使用。     

明渠恒定非均匀流比降一面积法高洪糙率的确定

本文是根据恒定非均匀流的计算公式，研究影响糙率的各因子，分析水位与各因子的关系有其规律，将其高水延长，确定出高洪糙率，达到比降－面积法应用的目的。     

引入参数的无压圆管均匀流水力计算方法

无压圆管均匀流水力计算是排水管网设计的主要依据，目前多采用试算法进行断面设计。本文根据污水排水管道的设计依据，介绍了引入参数后直接确定污水圆管管径的一种计算方法，该方法计算简便，工作量少，计算效率高。     

明渠恒定非均匀流比降—面积法高洪糙率的确定

本文是根据恒定非均匀流的计算公式,研究影响糙率的各因子,分析水位与各因子的关系及其规律,将其高水延长,确定出高洪糙率,达到比降~面积法应用的目的。     

The mechanical energy equation for total flow in open channels

The mechanical energy equation is a fundamental equation of a 1-D mathematical model in Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. This equation for the total flow used to be deduced by extending the Bernoulli＇s equation for the ideal fluid in the streamline to a stream tube, and then revised by considering the viscous effect and integrated on the cross section. This derivation is not rigorous and the effect of turbulence is not considered. In this paper, the energy equation for the total flow is derived by using the Navier-Stokes equations in Fluid Mechanics, the results are as follows：（1） A new energy equation for steady channel flows of incompressible homogeneous liquid is obtained, which includes the variation of the turbulent kinetic energy along the channel, the formula for the mechanical energy loss of the total flow can be determined directly in the deduction process.（2） The theoretical solution of the velocity field for laminar flows in a rectangular open channel is obtained and the mechanical energy loss in the energy equation is calculated. The variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are obtained.（3） The turbulent flow in a rectangular open channel is simulated using 3-D Reynolds averaged equations closed by the Reynolds stress model（RSM）, and the variations of the coefficient of the mechanical energy loss against the Reynolds number and the width-depth ratio are discussed.     

The calculation of mechanical energy loss for incompressible steady pipe flow of homogeneous fluid

The calculation of the mechanical energy loss is one of the fundamental problems in the field of Hydraulics and Engineering Fluid Mechanics. However, for a non-uniform flow the relation between the mechanical energy loss in a volume of fluid and the kinematical and dynamical characteristics of the flow field is not clearly established. In this paper a new mechanical energy equation for the incompressible steady non-uniform pipe flow of homogeneous fluid is derived, which includes the variation of the mean turbulent kinetic energy, and the formula for the calculation of the mechanical energy transformation loss for the non-uniform flow between two cross sections is obtained based on this equation. This formula can be simplified to the Darcy-Weisbach formula for the uniform flow as widely used in Hydraulics. Furthermore, the contributions of the mechanical energy loss relative to the time averaged velocity gradient and the dissipation of the turbulent kinetic energy in the turbulent uniform pipe flow are discussed, and the contributions of the mechanical energy loss in the viscous sublayer, the buffer layer and the region above the buffer layer for the turbulent uniform flow are also analyzed.     

矩形断面压力管道汇流口局部能量损失

采用水动力学基本理论,对矩形断面有压管道汇流口的水力特性进行分析研究,提出收缩系数及局部能量损失系数的综合表达式,并与试验结果进行了比较。研究结果表明:正确描述管道汇流口水流特性,必须考虑主管和支管的面积、流量的相对大小和交汇角的影响;局部能量损失随流量比增大而增大,随面积比增大而减小,随交汇角增大而增大。     

弯槽湍流的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟的方法对弯槽湍流进行了了研究，主要目的是研究流向曲率对湍流流动情况的影响。数值计算的雷诺数Rem-Umh/v=2800,其中Um为流向平均速度,h为弯槽的半槽宽，v为运动粘性系数。结果表明，弯槽凹壁和凸壁对湍流发展有不同的影响，凹壁使湍流加强而凸壁使湍流减弱。相干结构的分析表明凸壁附近上抛和下扫作用明显弱于凹壁，这是造成上述结论的原因。同时，弯槽中出现的Taylor-Gortlor涡造成了流动在展向的不均匀。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

并联输水管道最优流量分配及其应用

针对长距离输水管道水力损失大，耗材量大的特点，本文就并联输水管道，以沿途各分流点的分流流量一定为限制条件，以总水力损失最小为目标，确定分流点从每条管道分流的流量，并解决工程应用问题。本方法对减小输水水力损失，节省管材具有明显效果。     

旋喷泵内部流动与能量损失分析研究

介绍了一种极低比转数旋喷泵的结构、工作原理及性能特点。本文选用κ-ε湍流模式采用有限控制体积法对Navier-Stokes方程进行数值离散，运用Simple方法求解，对旋喷泵叶轮在相对坐标系下和转子腔、集流管在绝对坐标系下的内部流动分别进行了全三维粘性数值模拟。通过分析研究内部流动规律．为旋喷泵设计和能量损失分析提供了理论依据。     

闸后水跃水流的数值模拟

本文采用Ｋε紊流模式和体积率（ＶＯＦ）跟踪自由水面的方法，模拟了闸后水跃的水流结构，并与试验进行了比较，计算结果与试验资料基本吻合．通过体积率函数更新流场空间点的密度分布，描述、显示了水跃区的掺气现象和水面波动状态．     

宽顶堰水流数值模拟分析

本文利用紊流模型模拟了带有曲线自由表面的宽顶堰流的紊流流场,采用VOF法来确定自由表面,采用气液两相流计算模型对宽顶堰流场进行了数值模拟,计算结果与试验数据较为吻合.模拟结果表明,数值模拟是作为研究水利工程中带有自由表面的水流结构的一个强有力的工具,其结果对物理试验也是一个很好的补充.