標(biāo)準(zhǔn)U型明渠均勻流斷面平均流速計(jì)算研究

李丹武

(桓仁西江發(fā)電有限公司，遼寧 桓仁 117200)

標(biāo)準(zhǔn)U型明渠均勻流斷面平均流速計(jì)算研究

李丹武

(桓仁西江發(fā)電有限公司，遼寧 桓仁 117200)

灌區(qū)的渠道常為寬深比小于10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(duì)均勻流速的影響，對(duì)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(yàn)驗(yàn)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(jiǎn)單，具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

標(biāo)準(zhǔn)U型渠道；均勻流速；計(jì)算公式

明渠均勻流的水力計(jì)算在水利工程建設(shè)中具有廣泛應(yīng)，經(jīng)過(guò)多年的研究，得到了一些常用計(jì)算方法[1-3]。這些直接來(lái)源于工程實(shí)踐的計(jì)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(wèn)題一直未能有效解決。在這一背景下，趙振國(guó)教授基于水力計(jì)算理論，對(duì)不同斷面形態(tài)的明渠均勻流的流速計(jì)算公式進(jìn)行了大量研究，并獲得了一系列研究成果[4]。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(duì)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(guò)水?dāng)嗝娴纳喜繛榫匦?，下部為半圓形[5]。渠道的渠深為0.8 m，下部半圓部分的半徑為0.4 m，上口寬度為0.8 m。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)U型渠道斷面示意圖

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(jì)算公式[6-8]。當(dāng)渠道內(nèi)的水深不同時(shí)，其過(guò)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(kāi)進(jìn)行討論。

1.1 渠道水深h0小于半徑r

(1)

(2)

(3)

將式(2)he代入公式(4)：

(4)

(5)

1.2 渠道水深h0大于半徑r

(6)

(7)

將式(7)中的he代入公式(4)得：

(8)

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文中推導(dǎo)獲得的公式需要利用實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。選取遼寧省遼陽(yáng)市燈塔灌區(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(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自田間實(shí)測(cè)試驗(yàn)。這種符合實(shí)際生產(chǎn)情況、在自然環(huán)境下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更具有說(shuō)服力。

2.1渠道水深h0小于半徑r的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)渠道水深h0小于半徑r的標(biāo)準(zhǔn)U型明渠，從田間實(shí)測(cè)試驗(yàn)中抽取相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)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(zhǎng)約25 m，深度為0.8 m，渠道的底部圓弧為半圓形，圓弧的半徑r為0.4 m，渠道的上口寬為0.8 m。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該段渠道渠底的坡降為1∶5000。在試驗(yàn)過(guò)程中水流均保持為恒定均勻紊流狀態(tài)。由于試驗(yàn)過(guò)程采取的均為田間實(shí)測(cè)，因此渠道的渠底完全滿足研究中的完全粗糙的條件，符合推導(dǎo)出來(lái)的公式要求，可用于對(duì)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與公式(5)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 h0

表中的ν0為試驗(yàn)渠段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，νc為利用公式(15)獲得的計(jì)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(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的吻合度。

2.2 渠道水深h0大于半徑r的試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)渠道水深h0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(shí)測(cè)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與利用公式(18)獲得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，具體結(jié)果如表2所示。

表2 h0>r時(shí)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大，相對(duì)誤差基本都在10以內(nèi)，兩者有較好的吻合度。同時(shí)，表中有兩組數(shù)據(jù)的相對(duì)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(guò)大會(huì)造成寬深比減小，側(cè)壁對(duì)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(lái)計(jì)算。

3 結(jié) 論

在趙振國(guó)相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，利用普朗特-卡門(mén)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)U型明渠按其邊長(zhǎng)展開(kāi)，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(guò)本溪市燈塔灌區(qū)部分渠段的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)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，具有較高的理論和實(shí)際價(jià)值。

[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(bào),2005(8):950-955.

[2] Chow V T. Open-channel Hydraulies[M]. New York：Mcgraw-Hill Book ComPany, 1959.

[3] Hubert Chanson(澳)著；可素娟，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] Reed J R. An Example of the Effeet of Depth-Sensitive Values of Manning’s n on Non-uniform Flow Computation[R]. Molbourne ：Proeeedings,21st IAHR Congress, 1985.

[5] 丁偉強(qiáng).U型渠道在小農(nóng)水重點(diǎn)縣工程中的應(yīng)用[J].河南水利與南水北調(diào),2014(22):53-54.

[6] 王麗華,于水,高學(xué)英.論梯形明渠均勻流計(jì)算的改進(jìn)[J].內(nèi)蒙古水利,2004(4):38-39.

[7] 文輝,李風(fēng)玲.再論圓管明渠均勻流正常水深的直接計(jì)算公式[J].水利水電科技進(jìn)展,2012(6):15-17.

[8] 趙振國(guó),黃春花.明渠均勻流研究[J].水利學(xué)報(bào),2013(12):1482-1487.

Study on mean flow velocity in standard U-shaped open channel uniform flow

LI Danwu

(HuanrenXijiangPowerCo.Ltd.，Huanren117200，China)

The channel of irrigation area is generally narrow and deep channel whose width depth ratio is usually less than 10, so the mean flow velocity is affected by side wall. In the paper, the mean flow velocity formula of standard U-shaped open channel uniform flow was deduced and tested by experiment, but the influence of side wall was considered. The conclusion is shown that the calculation formula of mean flow velocity is not only high precision but simple, which has significantly practical value.

Standard U-shaped channel; mean flow velocity; calculation formula

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:ldw100f@163.com。

TV131.4

A

2096-0506(2017)02-0048-03