矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。     

综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件研究

综合式消力池第三种设计方法为常用设计方法,但在下游水深较大、弗劳德数较小时计算的消力坎高度较大,甚至出现消力坎高度远大于下游水深且消力池深度出现负值的不合理现象。分析综合式消力池常用设计方法存在的问题和应用条件对于工程设计具有重要的指导意义。根据综合式消力池的消力坎后可能发生的水跃现象,分析常用设计方法出现问题的原因,主要是假设消力坎后发生临界水跃与实际水流条件不符。常用设计方法应用的条件为消力坎后下游河床的水流弗劳德数Fr_t大于某一临界弗劳德数Fr_c、或下游水深h_th_k/Fr_c~(2/3),给出了消力坎流速系数ф=0.75~0.98时临界弗劳德数Fr_c的计算公式。探讨了消力坎的极限高度和最小坎高,消力坎的极限高度等于下游水深;给出了最小坎高的计算公式。通过与其它三种计算方法的比较,表明在符合综合式消力池应用条件的情况下,常用设计方法得出的计算结果与其它方法一样具有可靠性。     

人工粗糙壁面的水跃特性研究

根据已有文献对密排加糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度的试验结果,分析了密排加糙壁面水跃的共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面平均切应力随弗劳德数、跃前和跃后断面水深、壁面粗糙度的变化规律;给出了人工粗糙壁面水跃共轭水深、水跃旋滚长度、水跃长度、壁面阻力系数、壁面平均切应力的计算公式;通过已有文献的试验结果对公式进行了验证,得到了水跃共轭水深的平均误差为4.06%,水跃旋滚长度和水跃长度的平均误差分别为4.25%和7.16%。研究表明:人工粗糙壁面水跃的共轭水深和水跃长度随着跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着壁面粗糙度的增大而减小;壁面平均切应力随着壁面粗糙度和跃前断面弗劳德数的增大而增大,随着共轭水深比的增大而减小。     

自由水跃区壁面阻力的研究

根据已有文献对附壁射流区流速分布和壁面阻力的试验成果,分析了自由水跃区断面流速分布和最大流速沿程分布规律;首次根据边界层的动量积分方程分析了水跃主体段的射流厚度、水跃区的壁面切应力系数、壁面阻力系数的变化规律;给出了边界层厚度、壁面局部阻力系数、壁面阻力系数、平均壁面阻力系数的计算方法,并将计算结果与已有文献的试验资料进行了比较。结果表明:由本文式(9)和式(26)得到的数据与文献中的试验数据吻合较好;在Fr1≥5.45时,式(29)的计算结果与试验较吻合,在Fr1?5.45时,其计算结果与试验偏差较大;采用本文公式(34)计算水跃的共轭水深,与文献所得结果的最大误差为3.643%。     

波状床面综合式消力池的水力计算

分析了综合式消力池在消力坎计算中存在的问题,提出了计算消力坎高度和消力池深度总高度的估算方法。根据文献[6-7]对波状床面水跃共轭水深和水跃长度的研究成果以及综合式消力池的一般计算方法,给出了波状床面综合式消力池跃前水深的显式计算公式、跃后水深的迭代计算公式。在文献[11]对消力坎淹没系数研究的基础上,对于淹没度,在0.45≤h_s/H_(10)≤0.92范围内重新给出了精度更高的计算淹没系数的公式。通过算例给出了波状床面综合式消力池的水力计算过程和计算步骤,推荐在综合式消力池的水力计算中,先假设消力池的深度,再计算消力坎高度的简单计算方法。通过对比分析可以看出,波状床面综合式消力池与普通综合式消力池相比较,可以大幅度地减小消力池深度、消力坎高度、跃后水深和消力池长度,提高了消能效果,是一种值得推荐和研究的消力池形式。