台阶式溢洪道相对消能率与相对佛汝德数关系研究

台阶式溢洪道是目前研究的热点,台阶消能率和佛汝德数是重要的水力参数。将台阶式溢洪道佛汝德数与对应光滑溢洪道佛汝德数对比,引入相对佛汝德数的概念,准确地反映由于台阶的存在对水流佛汝德数的改变值。通过对0.5,1.0,2.0 m 这3个不同台阶高度,坡度为38.66°的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了相对佛汝德数和相对消能率之间的关系。结果表明非均匀流流态下相对佛汝德数和相对消能率表现出良好线性关系,相关系数为0.992 7~0.998 9。单宽流量不同,相对佛汝德数和相对消能率对应直线的斜率明显不同,其斜率随单宽流量加大而增大;而台阶高度变化对相对佛汝德数和相对消能率线性关系的直线斜率影响很小。     

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。     

三种抛物线形渠道共轭水深的显式计算公式

为了得到半立方、平方、立方抛物线形渠道共轭水深的显式计算公式,对这3种抛物线形渠道的水跃方程进行恒等变形,利用临界水深介于跃前水深和跃后水深之间的性质,得到了无量纲跃前水深x和无量纲跃后水深y之间的关系式,进一步分别得到其迭代公式。在工程常用范围内,利用excel拟合得到其迭代初值,提出了一套抛物线类渠道共轭水深的显式计算公式。最后,实例及误差分析表明半立方、平方、立方抛物线形断面无量纲跃前水深x、无量纲跃后水深y最大相对误差分别为0.25%,-0.23%;0.17%,-0.29%;0.31%,0.39%。公式物理概念清晰,计算简捷,精度高,适用范围广。     

台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速沿程变化研究

台阶溢洪道是目前热点的研究方向。台阶流速是重要的水力参数,为研究台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速水力特性规律,本文将将台阶式溢洪道流速与对应光滑溢洪道流速对比,引入台阶相对流速的概念。通过对26.57°、32.01°、38.66°和51.3°四组不同坡度,0.5m~2.0m不同台阶高度台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了阶顶过流断面平均流速、相对流速与流程长度、单宽流量、台阶高度、坡度、相对消能率之间的关系。台阶式溢洪道阶顶过流断面平均流速与流程长度、单宽流量、相对消能率呈较为复杂的曲线关系,而相对流速和这些参数表现出良好的线性关系。单宽流量、台阶尺寸、坡度对相对流速有较大影响,单宽流量大,同一流程断面相对流速小;台阶高度高、坡度大,台阶相对流速大。相对流速和相对消能率也表现为良好线性关系,同一相对消能率,单宽流量越大,相对流速越小,对水流的阻力作用减弱。     

三种抛物线形断面收缩水深的直接计算公式

为了得到半立方、平方、立方抛物线形断面收缩水深的直接计算公式,通过对这3种抛物线形断面收缩水深的基本方程恒等变形,得到了一个无量纲收缩水深的高次方程。该方程无法直接求得其理论解,而继续推导得到了无量纲收缩水深的迭代公式。且利用1stopt软件,基于遗传算法,对给定非线性函数模型进行参数优化拟合,建立了半立方、平方、立方抛物线形渠道收缩水深的直接计算公式。误差分析和实例计算结果表明:在工程常用范围λ∈[0.01,0.6]内,半立方、平方、立方抛物线形渠道收缩水深的最大相对误差分别仅为0.064%,-0.091%,0.136%,直接计算公式形式简捷、精度高、使用范围广。     

抛物线类渠道共轭水深的直接计算公式

抛物线类渠道共轭水深的计算公式为复杂的隐函数,不能直接求解。对半立方、平方、立方抛物线形渠道的水跃方程进行恒等变形,基于临界水深介于跃前水深和跃后水深之间的性质,得到了无量纲跃前水深x和无量纲跃后水深y,并推求得到了这两个无量纲参数之间的关系式。利用1stopt软件基于遗传算法对非线性函数模型进行参数优化拟合建立了半立方、平方、立方抛物线形渠道共轭水深的直接计算公式。误差分析和实例计算表明:半立方、平方、立方抛物线形断面无量纲跃前水深x和无量纲跃后水深y最大相对误差分别为-0.047%,-0.0596%;0.0675%,-0.103%;-0.0858%,0.0985%。公式物理概念清晰,计算便捷,精度高,适用范围广。研究成果可为渠道工程设计和运行管理提供可靠的理论依据和有益参考。     

高海拔地区台阶式溢洪道水力特性研究

为了探究高海拔地区台阶式溢洪道水力特性,对坝顶位于海拔 2 586.0 m,斜坡角度 θ=32° 的某大坝台阶式溢洪道进行了模型试验。通过改变来流流量,研究了 3 种不同工况下溢洪道台阶竖直面及水平面时均压强、水面线、流速、脉动压强等水力特性。结果表明:在 3 种试验工况下,台阶式溢洪道不仅具有较高消能率,而且不会发生空化空蚀破坏;溢洪道竖直面及水平面压力沿程为跳跃式分布;水深及流速在台阶溢洪道上达到某一值后,基本稳定。该结果可为高海拔地区的台阶式溢洪道优化设计提供参考依据。     

台阶式溢洪道相对流速和相对消能水头的关系

流速和消能水头是重要的水力参数,但在台阶式溢洪道中尚无系统研究成果。将台阶式溢洪道流速、消能水头与对应光滑溢洪道流速、消能水头对比,引入相对流速、相对消能水头的概念。通过对0.5,1.0,2.0 m 3种不同台阶高度,38.66°坡度的台阶式溢洪道进行试验研究,探讨了流速、消能水头,相对流速、相对消能水头之间的关系。结果表明:非均匀流流态下流速、消能水头呈曲线关系,不便分析应用;相对流速和相对消能水头表现出良好线性关系,相关系数0.973 7~0.995 9,证实了引入相对流速、相对消能水头的必要性。     

X型宽尾墩消力池底板冲击压强规律研究

为了得到X型宽尾墩消力池底板的冲击压强的直接计算公式,分析了对冲击压强影响较大的几个因素,利用量纲分析对模型试验的大量数据进行了拟合,总结出一个能较好地反映冲击压强规律的经验公式。误差分析表明滚弄、鲁地拉、索风营、沙陀的冲击压强最大相对误差不超过16.3%,能较好地反映X型宽尾墩消力池内复杂水流的冲击压强。实例验证显示,阿海工程X型宽尾墩最大冲击压强计算值与实测值误差<-15.8%。