標(biāo)準(zhǔn)U型明渠均勻流斷面平均流速計算研究.docx

1、第3卷第2期2017年2月黑龍江水利HeilongjiangWaterResourcesVol.3,No.2Feb.,2017標(biāo)準(zhǔn)u型明渠均勻流斷面平均流速計算研究李丹武(桓仁西江發(fā)電有限公司，遼寧桓仁117200)摘要：灌區(qū)的渠道常為寬深比小于】0的窄深式渠道，側(cè)壁是影響流速的重要因素。文章綜合考慮側(cè)壁對均勻流速的影響，對標(biāo)準(zhǔn)U型明渠均勻流斷面平均流速公式進(jìn)行了推導(dǎo)和試驗驗證。結(jié)果顯示，考慮側(cè)壁影響的流速分布公式具有較高的精度，且公式形式簡單，具有顯著的實用價值關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)U型渠道；均勻流速，計算公式中圖分類號：TV131.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0506(2017)02-004

2、8-03圖1標(biāo)準(zhǔn)U型渠道斷面示意圖明渠均勻流的水力計算在水利工程建設(shè)中具有廣泛應(yīng)，經(jīng)過多年的研究，得到了一些常用計算方法口幻。這些直接來源于工程實踐的計算方法雖然具有一定的適用性，但缺乏足夠理論依據(jù)的問題一直未能有效解決。在這一背景下，趙振國教授基于水力計算理論，對不同斷面形態(tài)的明渠均勻流的流速計算公式進(jìn)行了大量研究，并獲得了一系列研究成果。本文試圖利用趙教授的研究結(jié)論，在考慮邊壁阻力的條件下，對標(biāo)準(zhǔn)U型明渠均勻流的流速公式進(jìn)行深入研究。1標(biāo)準(zhǔn)U型渠道斷面平均流速選取如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)U型渠道，其過水?dāng)嗝娴纳喜繛榫匦?，下部為半圓形。渠道的渠深為0.8m,下部半圓部分的半徑為0.4m,上口寬度為0

3、.8m。由于標(biāo)準(zhǔn)U型渠道的特殊構(gòu)造特征，不能獲得類似梯形渠道的統(tǒng)一計算公式討8】。當(dāng)渠道內(nèi)的水深不同時，其過水?dāng)嗝嬉灿兴煌瑥亩霃絩也不斷發(fā)生變化，因此，分如下兩種情況開進(jìn)行討論。1.1渠道水深幻小于半徑，對于渠內(nèi)水深為h。的U形明渠，在假設(shè)渠道邊壁阻力于底部阻力相同的條件下，將渠道的邊壁展開，即可簡化為一個底寬為2rarccos(仁尹)的二維明渠流來處理。為了在等效設(shè)計中的相同流量，二平均流速U保持不變，則等效的二維流的水深可按照如下公式設(shè)計：(rh0)sing/=2/i/arccos(二字處).(1)gr(rh0)singhc=W廠«(2)2arccosr")0

4、=2arccos(3)將式(2)九代入公式(4)：v=(5.751n%+6)77(4)式中為斷面平均流速，m/s；M為水深，m；渠道底坡：=sin0；K為床面粗糙物平均凸起高程,作者簡介：李丹武(1978-),男，遼寧桓仁人，助理工程師，主要從事水利工程管理工作.E-mail,ldwl00f.mo得底圓弧半徑，m；K為渠底粗糙物平均凸起高程,(5.751g食+6)扃T(5)式中：。為斷面平均流速，m/s；Ao為水深，m；m；g為重力加速度，m/s，2試驗驗證(7)(8)九為等效水深，m；。為渠底圓弧圓心角3r為渠底圓弧半徑，m；K為渠底粗糙物平均凸起高程,m；g為重力加速度，m/s2o1.2渠

5、道水深幻大于半徑，對于渠內(nèi)水深為的U型明渠，在假設(shè)渠道邊壁阻力于底部阻力相同的條件下，將渠道的邊壁展開，即可簡化為一個底寬為"+2(人。一廠)的二維明渠流來處理。為了在等效設(shè)計中的相同流量，二平均流速。保持不變，則等效的二維流的水深可按照如下公式設(shè)計。(4-Kr2+2r(A0r)U=2r(/t0r)Aev(6)+2r(/io尸)”"+2r(.h0r)將式(7)中的九代入公式(4)得：v=(5.75也傍+6)丕辰式中：V為斷面平均流速，m/s；Ao為水深，m；九為等效水深，m；。為渠底圓弧圓心角；廠為集對本文中推導(dǎo)獲得的公式需要利用實際試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。選取遼寧省遼陽市燈塔灌

6、區(qū)紅旗村的一段斗渠。該段斗渠屬于混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)U型斗渠，且試驗數(shù)據(jù)均來自田間實測試驗。這種符合實際生產(chǎn)情況、在自然環(huán)境下的實測數(shù)據(jù)更具有說服力。2.1渠道水深小于半徑r的試驗驗證對渠道水深A(yù)o小于半徑r的標(biāo)準(zhǔn)U型明渠，從田間實測試驗中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗證分析。其中，標(biāo)準(zhǔn)U型明渠為燈塔灌區(qū)的一段混凝土襯砌分支渠。渠道的水槽長約25m,深度為0.8m,渠道的底部圓弧為半圓形，圓弧的半徑廠為0.4m,渠道的上口寬為0.8m。經(jīng)過實測，該段渠道集底的坡降為1:5000。在試驗過程中水流均保持為恒定均勻紊流狀態(tài)。由于試驗過程采取的均為田間實測，因此渠道的渠底完全滿足研究中的完全粗糙的條件，符合推

7、導(dǎo)出來的公式要求，可用于對公式計算結(jié)果進(jìn)行實際驗證。試驗過程中獲得的實測數(shù)據(jù)與公式(5)的計算結(jié)果如表1所示。表1hoVr時的試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比表流量Q/(m3sT)0.0570.0610.0640.0670.0630.0620.0600.069水深h/m0.3570.3660.3850.3930.3870.3940.3630.396過水?dāng)嗝鍭/n?0.2170.2240.2390.2460.2410.2460.2190.252濕周C/m.1711.1901.2281.2441.2321.2461.1861.252水力半徑R/m0.1860.1890.1950.1980.1960.1980

8、.1880.199M)/(ms-1)0.2660.2760.2710.2760.2650.2550.2690.2811/2圓心角1.4651.4871.5351.5551.5401.5571.4921.559知/m0.1860.1890.1950.1980.1960.1980.1880.199Mr/(ms-1)0.2640.2670.2730.2760.2740.2760.2680.277相對誤差/%-7.4-3.08.5一0.21.4表中的vo為試驗渠段的實測數(shù)據(jù)，貝為利用公式(15)獲得的計算值，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，兩者的誤差基本在10%以內(nèi)，所以計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)有較

9、好的吻合度。2.2渠道水深么大于半徑，的試驗驗證對渠道水深A(yù)o大于半徑r的標(biāo)準(zhǔn)U形明渠,仍然利用上述渠段進(jìn)行田間實測，并將實測數(shù)據(jù)與利用公式(18)獲得的計算結(jié)果進(jìn)行比較，具體結(jié)果如表2所示。表2ho>i時試驗結(jié)果與計算結(jié)果的對比流毆Q/(n>3s-»)0.0670.0720.0880.0680.0700.0920.0970.090水深h/m0.4090.4100.4930.4050.4150.4640.6110.471過水?dāng)嗝鍭/m?0.2600.2610.3440.2560.2660.3)50.4620.307濕周C/m1.2751.2771.4431.2671.28

10、71.3851.6791.370水力半徑R/m0.2040.2050.2390.2020.2070.2280.2750.211w)/(msi)0.2570.2760.2560.2650.2630.2920.2100.2621/2圓心角1.5711.5711.5711.5711.5711.5711.5711.571L/m0.2030.2030.2260.2020.2050.2200.2500.207*/(ms_,)0.2800.2800.3010.2790.2820.2950.3230.278相對誤差/%9.01.918.054.16.1由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，計算結(jié)果與實測結(jié)

11、果相差不大，相對誤差基本都在10以內(nèi)，兩者有較好的吻合度。同時，表中有兩組數(shù)據(jù)的相對誤差較大。這兩組結(jié)果都是在水深較大的情況下發(fā)生的偏離，究其原因在于水深過大會造成寬深比減小，側(cè)壁對水流的影響已經(jīng)不能將其轉(zhuǎn)換為等效的二維明渠均勻流來計算。3結(jié)論在趙振國相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，利用普朗特-卡門粗糙平板上的流速分布公式，推導(dǎo)了標(biāo)準(zhǔn)u型渠道的明渠均勻流平均流速公式。然后，假設(shè)渠道底部和邊壁的阻力相等，進(jìn)而對標(biāo)準(zhǔn)U型明渠按其邊長展開，轉(zhuǎn)化為等效二維明渠.最后推求出全斷面的平均流速。通過本溪市燈塔灌區(qū)部分渠段的試驗數(shù)據(jù)驗證.發(fā)現(xiàn)實測結(jié)果與計算結(jié)果擬合良好。本章推導(dǎo)的公式不僅具有較高的精度，使用也更為方便，具有

12、較高的理論和實際價值。參考文獻(xiàn)：1 劉春晶，李丹勛.王興奎.明渠均勻流的摩阻流速及流速分布J.水利學(xué)報.2005(8)：950-955.2 ChowVT.Open-channelHydraulicsM.NewYork：Megraw-HillBookComPany.1959.3 HubertChanson(澳)著；可索婿，張學(xué)成.趙安林.等譯.明渠水力學(xué)M.鄭州：黃河水利出版社.2001.4 ReedJR.AnExampleoftheEffeetofDepth-SensitiveValuesofManning'snonNon-unifonnFlowComputationR.Molbour

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14、Danwu(HuanrenXijiangP(nverCc.Ltd.,Huanren117200*China)Abstract：Thechannelofirrigationareaisgenerallynarrowanddeepchannelwhosewidthdepthratioisusuallylessthan10,sothemeanflowvelocityisaffectedbysidewall.Inthepaper,themeanflowvelocityformulaofstandardU-shapcdopenchanneluniformflowwasdeducedandtestedbyexperiment,buttheinfluenceo