一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法技术

本发明专利技术涉及一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，所述的方法包括：获取数据；无量纲化；摩阻流速

To siphon flow velocity calculation method for a vertical import water diversion project

The invention relates to a water siphon flow import vertical velocity calculation method, the method comprises: acquiring data; dimensionless friction velocity;

【技术实现步骤摘要】
一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法
本专利技术涉及一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，是一种水工计算方法，是一种渠道设施的计算方法，是一种用于计算明流条件下输水工程倒虹吸进口垂向流速分布的计算原理和方法，所述的方法用于优化倒虹吸的水力性能和体型设计。
技术介绍
长距离明渠输水工程沿线需要布置大量的交叉建筑物用于跨越河流、铁路、公路、桥梁等，如倒虹吸、渡槽、涵洞等，倒虹吸由于其工程量少，造价较低等优点，是长距离明渠输水工程中运用较多的交叉建筑物，如南水北调中线总干渠由陶岔渠首到北拒马河沿线布置的倒虹吸超过100座，设计流量在60~350m3/s之间。单个倒虹吸的造价少则数千万，多则数十亿，如南水北调中线穿黄倒虹吸按2004年6月份价格水平核定的工程总投资就达到了31.37亿元。而且倒虹吸建成后如果设计不当，造成的水流流动阻力过大，每年损失的电费就要达到数百万以上。倒虹吸进口的垂向流速分布作为倒虹吸设计中最为基础和重要的水力学参数，对于优化倒虹吸进口的设计，提高倒虹吸的水力性能和输水工程的输水效率具有重要的意义。此外，高纬度地区明渠输水工程普遍存在冰期输水的难题，而流速是引发冰块下潜、堆积，进而形成冰塞冰坝等冰情问题的直接驱动因素，因此研究倒虹吸进口上游的垂向流速分布规律也可为拦冰索的外形设计和布设提供相应的科学依据，降低倒虹吸发生冰塞险情的概率，提高输水工程的冰期输水效率。但是由于问题的复杂性，目前还缺乏倒虹吸进口上游不同位置处的垂向流速分布定量计算方法。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法。所述的方法可计算输水工程倒虹吸进口上游各断面的流速值，解决了在水流十分不稳定的区域内的垂向流速分布的计算。本专利技术的目的是这样实现的：一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，所述的方法的步骤如下：获取数据的步骤：根据渠道倒虹吸的设计方案，获取倒虹吸进口上游的水深H，倒虹吸管进口顶部与水面之间的距离H2，水温，渠道水力坡降参数；无量纲化的步骤：将各流速计算点对应的位置和水力学参数无量纲化；摩阻流速u*参数取值计算的步骤：根据均匀明渠流的阻力平衡求摩阻流速u*：最大流速计算点在水面时为：，最大流速计算点在水面以下时为：，其中：R为水力半径，J为水力坡度，为流速分布中最大流速处对应的水深，g为重力加速度；水体运动粘滞系数取值的步骤：根据测量的水体温度取值不同的水体运动粘滞系数v；倒虹吸进口上游不同位置处的流速计算步骤：将上述水深H，倒虹吸管进口顶与水面之间的距离H2，水体运动粘滞系数v带入计算公式：，其中：u为计算点的流速，y为计算点到渠道底部距离，k为卡门常数，B为积分常数；系数a描述流速计算点在对称点y=0.82H2上下位置变化的影响，当计算点的水深y>0.82H2时，a=-0.8，当计算点的水深y<0.82H2时，a=-1.6，当计算点的水深y=0.82H2时，a可取任意值；系数b描述计算断面距离倒虹吸进口位置的影响，b=0.41H2/x，其中：x为计算点距倒虹吸进口的距离。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术以对数型流速分布公式为基础，通过增加指数项，提出了用于计算倒虹吸进口上游垂向流速分布的修正公式，经实验验证，所提出的修正公式在计算断面的垂向流速分布时的平均误差明显降低。该公式能够作为工程设计中用于计算各位置处的流速值的有力工具，为倒虹吸的工程设计和安全运行提供可靠依据。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述方法的流程图；图2是倒虹吸进口处的垂向流速分布图；图3是渠道敞露水面的垂向流速分布图。具体实施方式实施例一：本实施例是一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，所述的方法的步骤如下，流程如图1所示：（一）获取数据的步骤：根据渠道倒虹吸的设计方案，获取倒虹吸进口上游的水深H，倒虹吸管进口顶部与水面之间的距离H2，水温，渠道水力坡降参数。这些数据来源于设计对象，即正在设计中的渠道及倒虹吸设施。根据设计的倒虹吸进口的各个尺寸，以及该倒虹吸口的设计水深以及可能的变动情况确定水深参数。并根据该倒虹吸的各个设计尺寸产生确定渠道水力坡降等参数。同时根据倒虹吸所使用的温度环境，确定渠道中水的温度范围。（二）无量纲化的步骤：将各流速计算点对应的位置和水力学参数无量纲化。（三）摩阻流速u*参数取值计算的步骤：根据均匀明渠流的阻力平衡求摩阻流速u*：最大流速计算点在水面时为：，最大流速计算点在水面以下时为：，其中：R为水力半径，J为水力坡度，为流速分布中最大流速处对应的水深，g为重力加速度。其中水力半径R为过水断面面积与过水断面湿周的比值；水力坡地J为沿流程每单位距离的水头损失，可通过测量前后断面的水头差/前后断面的距离计算得到。最大流速计算点在水面以下时为可用下式计算：式中c为河道过水断面的宽度（四）水体运动粘滞系数取值的步骤：根据测量的水体温度取值不同的水体运动粘滞系数v。水体的运动粘滞系统可通过测量水温，然后按照下表获取。水温(℃)运动运动粘滞系数×10-6(m2/s)水温(℃)运动运动粘滞系数×10-6(m2/s)水温(℃)运动运动粘滞系数×10-6(m2/s)01.78667101.30641201.0037411.72701111.26988210.9798421.67040121.23495220.9568231.61665131.20159230.9347141.56557141.16964240.9134051.51698151.13902250.8929261.47070161.10966260.8731371.42667171.08155270.8540981.38471181.05456280.8357291.34463191.02865290.81798（五）倒虹吸进口上游不同位置处的流速计算的步骤：将上述水深H，倒虹吸管进口顶与水面之间的距离H2，水体运动粘滞系数v带入计算公式：（1）其中：u为计算点的流速，y为计算点到渠道底部距离，k为卡门常数，B为积分常数。系数a描述流速计算点在对称点y=0.82H2上下位置变化的影响，当计算点的水深y>0.82H2时，a=-0.8，当计算点的水深y<0.82H2时，a=-1.6，当计算点的水深y=0.82H2时，a可取任意值。系数b描述计算断面S距离倒虹吸进口位置的影响，b=0.41H2/x，其中：x为计算点距倒虹吸进口的距离，如图2所示。本步骤的公式根据河道的紊流均流速对数型分布公式修正得到。常规河道紊流时均流速对数型分布公式可写为（流速分布如图3所示）：（2）由于倒虹吸进口处的渠道形状发生变化，促使水流变化。如果继续使用公式（2）计算流速分布则会产生误差，实验也证明这一误差的存在。实验表明，受到倒虹吸进口顶部阻挡和底部过流的共同作用，倒虹吸进口上游的垂向流速分布会出现明显的顶部流速降低和底部流速增加的现象，且随着淹没度的增加上述现象越明显，如图2所示u1~u5的变化。为精确的进行计算，本实施例以常规河道紊流时均流速对数型流速分布公式为基础，提出了以（1）公式用于计算倒虹吸进口上游的垂向流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，所述的方法的步骤如下：获取数据的步骤：根据渠道倒虹吸的设计方案，获取倒虹吸进口上游的水深

【技术特征摘要】
1.一种输水工程倒虹吸进口明流垂向流速计算方法，所述的方法的步骤如下：获取数据的步骤：根据渠道倒虹吸的设计方案，获取倒虹吸进口上游的水深H，倒虹吸管进口顶部与水面之间的距离H2，水温，渠道水力坡降参数；无量纲化的步骤：将各流速计算点对应的位置和水力学参数无量纲化；摩阻流速u*参数取值计算的步骤：根据均匀明渠流的阻力平衡求摩阻流速u*：最大流速计算点在水面时为：，最大流速计算点在水面以下时为：，其中：R为水力半径，J为水力坡度，为流速分布中最大流速处对应的水深，g为重力加速度；水体运动粘滞系数取值的步骤：根据测量的水体温度取值不同的水体运动粘滞系数v...

【专利技术属性】
技术研发人员：付辉，郭新蕾，刘之平，王涛，郭永鑫，杨开林，李甲振，黄伟，马慧敏，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11