復(fù)式明渠均勻流動(dòng)水力特性研究

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1、復(fù)式明渠均勻流動(dòng)水力特性研究趙根生I曹志先1余明輝2,汪鵬I(1氏江科學(xué)院河流研究所，武漢430010;2武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢43()072)【摘要】：復(fù)式明渠均勻流動(dòng)是復(fù)式明渠水流運(yùn)動(dòng)的最基木形式乙一。木文從表示均勻流動(dòng)的指標(biāo)——正當(dāng)水深研究為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外研究復(fù)式明渠均勻流動(dòng)的方法，選擇了傳統(tǒng)的斷面斜分割方法、Ackers(1993)的河槽協(xié)同度方法(COH)、Shiono-Knight(1991)提出的方法、以及由Cao.ettai(2006)提出的復(fù)式斷面綜合糙率的新方法，來(lái)計(jì)

2、算復(fù)式明渠均勻流動(dòng)，并將以上四種計(jì)算模式的計(jì)算結(jié)果與英國(guó)FCF大尺度實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比分析?！娟P(guān)鍵詞】：復(fù)式明渠；均勻流；水力特性；正常水深1前言復(fù)式明渠均勻流動(dòng)是復(fù)式斷而明槽流動(dòng)中最簡(jiǎn)單的流動(dòng)形式，而由丁?過(guò)流斷而的不規(guī)則性和阻力系數(shù)分布的非均勻性，在計(jì)算復(fù)式明渠均勻流動(dòng)的水力耍素時(shí)存在著一定的困難。復(fù)式明渠均勻流動(dòng)的研究是復(fù)式明渠各種水力要素研究的基礎(chǔ)，對(duì)于推動(dòng)復(fù)式明渠水力學(xué)問(wèn)題研究的進(jìn)展有著重人影響，同時(shí)對(duì)于解決一定的工程問(wèn)題有著很強(qiáng)的指導(dǎo)作用。迄今為止，許多研究者(Posey1967;Cungcetal.1980

3、;Kninghll984;Wormlcation1990;Ackers1993;LambertandMyers1998;ShionoandKnight1991;Knight1999;Myersetal.1999;Shionoetal.1999;Carlingetal.2002;VanProoijenetal.2005)已經(jīng)意識(shí)到傳統(tǒng)的方法不能準(zhǔn)確地估算復(fù)式斷血河道漫灘水流的輸水能力，亦即不能止確的計(jì)算復(fù)式斷面河道的止常水深。因而，很多學(xué)者提出采用動(dòng)量傳遞理論、動(dòng)量輸運(yùn)理論和綜合因索分析的方法來(lái)計(jì)算出復(fù)式斷面的漫灘水流的

4、過(guò)流能力和正常水深，進(jìn)而研究復(fù)式明渠均勻流動(dòng)水力的水力特性。本文以曹志先等(Cao刃川.2006)對(duì)復(fù)式明渠非恒定流的研究思想為基礎(chǔ)，構(gòu)造水深平均流速沿河寬方向分布的近似方法，通過(guò)數(shù)值積分研究復(fù)式斷面的輸水特性，進(jìn)而得出復(fù)式明渠均勻流動(dòng)的水力特性，與現(xiàn)有計(jì)算復(fù)式明渠均勻流動(dòng)正常水深比較精確的模式河槽協(xié)同度方法(PeterAckers1993Shiono-Knight法以及傳統(tǒng)的斷面分割法進(jìn)行對(duì)比分析,并且與英國(guó)FCF(FloodChannelFacility)典型試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析。2復(fù)式明渠均勻流動(dòng)水力計(jì)算模

5、式2.1斷面分割法斷血分割法假定復(fù)式斷血灘槽Z間存在著剪切應(yīng)力為零的應(yīng)力線。本文采用斷曲傾斜分割的方法，如圖2所示。直線12將復(fù)式斷血?jiǎng)澐譃槿糠郑缓髮?duì)三部分分別使用曼寧公式計(jì)算。n(1)式中u為流速，〃為糙率，廠為水力半徑，S/為能坡。圖1.復(fù)式斷面示意圖圖2.復(fù)式斷面傾斜分割示意圖2.2河槽協(xié)同度方法Ackers(1993)分析影響順直復(fù)式斷而河道過(guò)流能力的所有影響因索，根據(jù)河槽協(xié)同度的概念(COHM),提出了河槽協(xié)同度方法，即COHM.COHM定義為單一河道過(guò)流能力與斷面分割法過(guò)流能力的比值。由Darcy-We

6、isbach方程可得COH的表達(dá)式為(2)nInnCOH=j=iVr=i，=i藝4丁4/(/?/)J-l式中/為Darcy-Weisbach阻力系數(shù)。2.3Shiono-Knight方法Shiono-Knight(1991)關(guān)丁?復(fù)式明渠水流的計(jì)算經(jīng)過(guò)大量資料的驗(yàn)證(KnightandAbril1996,AbrilandKnight2004),在二維速度分布的基礎(chǔ)上推導(dǎo)確定了復(fù)式明渠ft!定均勻水流運(yùn)動(dòng)方程如下：22prA2_勸$()-Jl+(%/0)y"0.5加血h''"三-=0⑶hdy[_dy式屮幾為無(wú)量綱擴(kuò)散系數(shù)

7、，力為局部水深，/7為局部糙率，z為局部河床高程，見(jiàn)圖2。2.4由曹志先等提出的方法考慮如圖1所示的任意不規(guī)則斷血，冷”、號(hào)、分別為最深點(diǎn)的流速、水深和局部糙率,為斷而上任一點(diǎn)水深，乞?yàn)楹訉?。曹志先?Cao刃加.2006)提出了一種新的確定斷而綜合糙率化的方法。rl/2,7/6(4)式中人、‘2R13、P都是對(duì)整個(gè)橫斷而進(jìn)行積分，其中,I、=^h/h)n)dyBw(5)Ir產(chǎn)J⑷饑嚴(yán)九/“嚴(yán)。Bw(6)從=卩"/I代嚴(yán)門(心/n嚴(yán)J1+(比/如2dyBw(7)P=JJl+(0z/0y)2dyBw(8)其中，/?為一

8、待定參數(shù)，彼“為斷血最深點(diǎn)糙率，斤、1（、h分別為斷血上任一點(diǎn)局部糙率、垂線平均流速和局部水深，P是對(duì)整個(gè)橫斷而述行積分求斷而濕周，為任意一點(diǎn)的垂線平均流速、水深。首先構(gòu)造流速沿河寬方向分布的關(guān)系式（9）,再在河寬方向上進(jìn)行數(shù)值積分求出正常水深。假定存在以下關(guān)系式:利用Q=uhdy,心)—5、R/3R/2%衛(wèi)")「丿將式⑴中的