基于計(jì)算機(jī)VB編程解決明渠相關(guān)水力計(jì)算問題

高 雷

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州，450001）

基于計(jì)算機(jī)VB編程解決明渠相關(guān)水力計(jì)算問題

高 雷

（鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州，450001）

在水利工程設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)遇到一些明渠的水力計(jì)算,設(shè)計(jì)人員普遍采用Excel軟件建立水力計(jì)算模塊，借助假設(shè)分析中的單變量求解法,實(shí)現(xiàn)其計(jì)算目標(biāo),但是求解操作相當(dāng)麻煩，計(jì)算方法不快捷，本文介紹了利用VB開發(fā)可視化計(jì)算程序,快速實(shí)現(xiàn)明渠不同條件下的水力計(jì)算。

VB；明渠；臨界水深；水面曲線

0 前言

水力學(xué)分析問題常采用的是一元流理論，然而實(shí)際工程問題大多屬于二元流甚至三元流，要精確地分析這些水力學(xué)復(fù)雜問題，必須從其控制微分方程出發(fā)，水力學(xué)相關(guān)軟件可以簡(jiǎn)化這些計(jì)算，而縱觀國(guó)際上的大型水力學(xué)計(jì)算軟件,如Delft3D、SMS、MIKE等,其計(jì)算程序均使用 FORTRAN 編寫，對(duì)設(shè)計(jì)或施工人員專業(yè)知識(shí)水平要求較高，而VB編程作為一種解決水力相關(guān)計(jì)算問題的工具，是借助于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法來實(shí)現(xiàn)的，它不僅把水力計(jì)算繁瑣或重復(fù)的過程程序化，大大節(jié)省了工作時(shí)間，而且VB編程簡(jiǎn)單、面向大眾化，可以根據(jù)實(shí)際水力條件來設(shè)計(jì)不同的計(jì)算程序。

1 明渠恒定非均勻流臨界水深

1.1 臨界水深計(jì)算理論

明渠中由于渠道斷面的幾何形狀或尺寸、粗糙度或底坡沿程改變，或在明渠中修建人工建筑物等都會(huì)改變水流的均勻狀態(tài)，造成水深和流速等水利要素沿程改變，從而產(chǎn)生非均勻流動(dòng)，明渠恒定非均勻流特點(diǎn)是明渠的底坡線、水面線、總水頭線彼此互不平行，故水力坡度J、水面坡度JZ、渠底坡度i互不相等，即J≠JZ≠i。在渠道的流量、斷面形狀和尺寸均確定的情況下，相應(yīng)于斷面比能最小值Esmin，即斷面比能具有極小值=0的水深稱為臨界水深，以hK表示。

1.2 迭代法求解臨界水深

例1:假設(shè)某一梯形斷面渠道,設(shè)計(jì)流量為Q,邊坡系數(shù)為m，明渠底寬為b,允許誤差為e，求梯形斷面明渠恒定非均勻流臨界水深hK。

VB編程的程序代碼（迭代法）：

建立迭代法函數(shù):Public Sub diedaifa() A =(b+m

*hk1)* hk1d=b+2 * m * hk1If=1-(q^2)*d/9.8/(A^3) F0=-(q^2)/9.8/(A^3)*(2*m-3*(d^2)/A) hk2=hk1-f/F0

建立循環(huán)關(guān)系：If Abs(hk2-hk1)<=e Then hk=hk2Else hk1=hk2Call diedaifa End If Print"hk"End Sub

以上即為迭代法計(jì)算臨界水深的程序，hK1為水深計(jì)算初值，當(dāng)時(shí)，滿足精度要求，即可輸出hK值，通過計(jì)算機(jī)VB編程減少了人工迭代法計(jì)算量，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，并且可以準(zhǔn)確輸出計(jì)算結(jié)果。

2 棱柱體明渠水面曲線

2.1 水面曲線計(jì)算理論

當(dāng)棱柱體明渠中通過一定流量時(shí)，由于底坡、上下游進(jìn)出流邊界條件差異及渠道內(nèi)建筑物所形成的控制水深不同，明渠中的水流可以形成12種不同形式的水面曲線，通?？梢酝ㄟ^經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些水面曲線進(jìn)行定性判斷，但在實(shí)際水利工程中，還需定量知道非均勻流斷面的水力要素變化，如水深、斷面平均流速等，即要對(duì)水面曲線進(jìn)行具體計(jì)算和繪制。

2.2 二分法計(jì)算棱柱體明渠水面曲線

例2：假設(shè)某一棱柱體明渠,設(shè)計(jì)流量為Q=45m3/s,邊坡系數(shù)為m=1.5，明渠底寬為b=10m,粗糙系數(shù)n=0.022，底坡i=0.0009，明渠正常水深h0=1.96m，允許誤差為e=0.0001，渠道末端水深h=3.4m，計(jì)算該渠道的水面曲線。

VB編程的程序代碼，二分法計(jì)算不同段水力要素：

Fori=1 To9 Step1 A0(i)=(b+m*h(i))*h(i)

X(i)=b+2*h(i)*Sqr(1+m*m) J(i)=(v(i)*n/R0(i)^(2 / 3))^2 Es(i)=h(i)+Q^2/(2*g*A0(i)* A0(i))

將VB編程的計(jì)算結(jié)果輸出，如表一所示，根據(jù)表一計(jì)算出的各斷面水力要素可以在Excel中畫出想要的棱柱體水面曲線圖（以末端水頭為原點(diǎn)），如圖一所示，水流由右側(cè)向左側(cè)流動(dòng)，棱柱體明渠水面曲線為壅水曲線，水深沿程增加，流速逐漸放緩。

表一 各斷面水力要素計(jì)算結(jié)果

圖一 棱柱體水面曲線

3 總結(jié)

水力學(xué)計(jì)算中經(jīng)常會(huì)遇到一些繁瑣的計(jì)算方法，如二分法、迭代法、公式計(jì)算法等，這些方法人工計(jì)算量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，VB開發(fā)可視化計(jì)算程序恰好巧妙解決了這一問題，把復(fù)雜、重復(fù)性的工作交給電腦。運(yùn)用VB編程解決水利工程的實(shí)際問題是計(jì)算水力學(xué)的一部分，隨著計(jì)算機(jī)VB編程軟件的發(fā)展，計(jì)算水力學(xué)將進(jìn)一步取代經(jīng)典水力學(xué)中一些近似計(jì)算法和圖解法，例如管網(wǎng)和渠系的過水或輸沙（排污）能力的計(jì)算、有水輪機(jī)負(fù)荷改變時(shí)水力震蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性計(jì)算研究等等。

[1] 呂宏興,裴國(guó)霞，楊玲霞·水力學(xué)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2011.6[2] 馮民權(quán)，趙明登，鄭邦民·河渠非恒定流及其物質(zhì)輸運(yùn)的數(shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社，2012.2

[3] 李占松，王玲玲，朱士江.二維淺水流動(dòng)數(shù)學(xué)模型的多解性評(píng)價(jià)[J].河 南 科 學(xué)，2009,27（1）:64-66

[4] 吳丹鳳，丁全林，戴會(huì)超，戴凌全.計(jì)算水力學(xué)通用后處理模塊設(shè)計(jì)與快速開發(fā)[J].水電能源科學(xué)，2013,31（6）:195-197

高雷（1991.07- ），男，山東濰坊人，鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 2011級(jí)本科生，水利水電工程專業(yè)

Based on computer VB programming to solve the hydraulic calculation problems related to water conservancy project

Gao Lei
（College of Water Conservancy & Environmental Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，450001，Henan，China）

In the design of water conservancy projects,often encounter some hydraulic calculation of flow in open channel,designers generally Excel software is adopted to establish the hydraulic calculation module, with the help of assumption in the analysis of single variable method,achieving the calculation,but it's quite a trouble,solve the operation calculation method is not quick,visual calculation program,this paper introduces the use of VB rapidly open channel under the condition of different hydraulic calculation.

VB；Open channel；The critical depth of water；The surface curve