复式明渠均匀流动水力特性研究

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1、复式明渠均匀流动水力特性研究赵根生I曹志先1余明辉2,汪鹏I(1氏江科学院河流研究所，武汉430010;2武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，武汉43()072)【摘要】：复式明渠均匀流动是复式明渠水流运动的最基木形式乙一。木文从表示均匀流动的指标——正當水深研究为出发点，对比分析了国内外研究复式明渠均匀流动的方法，选择了传统的断面斜分割方法、Ackers(1993)的河槽协同度方法(COH)、Shiono-Knight(1991)提出的方法、以及由Cao.ettai(2006)提出的复式断面综合糙率的新方法，來计

2、算复式明渠均匀流动，并将以上四种计算模式的计算结果与英国FCF大尺度实验资料进行对比分析。【关键词】：复式明渠；均匀流；水力特性；正常水深1前言复式明渠均匀流动是复式断而明槽流动中最简单的流动形式，而由丁•过流断而的不规则性和阻力系数分布的非均匀性，在计算复式明渠均匀流动的水力耍素时存在着一定的困难。复式明渠均匀流动的研究是复式明渠各种水力要素研究的基础，对于推动复式明渠水力学问题研究的进展有着重人影响，同时对于解决一定的工程问题有着很强的指导作用。迄今为止，许多研究者(Posey1967;Cungcetal.1980

3、;Kninghll984;Wormlcation1990;Ackers1993;LambertandMyers1998;ShionoandKnight1991;Knight1999;Myersetal.1999;Shionoetal.1999;Carlingetal.2002;VanProoijenetal.2005)已经意识到传统的方法不能准确地估算复式断血河道漫滩水流的输水能力，亦即不能止确的计算复式断面河道的止常水深。因而，很多学者提出采用动量传递理论、动量输运理论和综合因索分析的方法来计算出复式断面的漫滩水流的

4、过流能力和正常水深，进而研究复式明渠均匀流动水力的水力特性。本文以曹志先等(Cao刃川.2006)对复式明渠非恒定流的研究思想为基础，构造水深平均流速沿河宽方向分布的近似方法，通过数值积分研究复式断面的输水特性，进而得出复式明渠均匀流动的水力特性，与现有计算复式明渠均匀流动正常水深比较精确的模式河槽协同度方法(PeterAckers1993Shiono-Knight法以及传统的断面分割法进行对比分析,并且与英国FCF(FloodChannelFacility)典型试验的实测数据进行精度分析。2复式明渠均匀流动水力计算模

5、式2.1断面分割法断血分割法假定复式断血滩槽Z间存在着剪切应力为零的应力线。本文采用断曲倾斜分割的方法，如图2所示。直线12将复式断血划分为三部分，然后对三部分分别使用曼宁公式计算。n(1)式中u为流速，〃为糙率，厂为水力半径，S/为能坡。图1.复式断面示意图图2.复式断面倾斜分割示意图2.2河槽协同度方法Ackers(1993)分析影响顺直复式断而河道过流能力的所有影响因索，根据河槽协同度的概念(COHM),提出了河槽协同度方法，即COHM.COHM定义为单一河道过流能力与断面分割法过流能力的比值。由Darcy-We

6、isbach方程可得COH的表达式为(2)nInnCOH=j=iVr=i，=i艺4丁4/(/•/)J-l式中/为Darcy-Weisbach阻力系数。2.3Shiono-Knight方法Shiono-Knight(1991)关丁•复式明渠水流的计算经过大量资料的验证(KnightandAbril1996,AbrilandKnight2004),在二维速度分布的基础上推导确定了复式明渠ft!定均匀水流运动方程如下：22prA2_劝$()-Jl+(%/0)y"0.5加血h''"三-=0⑶hdy[_dy式屮几为无量纲扩散系数

7、，力为局部水深，/7为局部糙率，z为局部河床高程，见图2。2.4由曹志先等提出的方法考虑如图1所示的任意不规则断血，冷”、號、分别为最深点的流速、水深和局部糙率,为断而上任一点水深，乞为河宽。曹志先等(Cao刃加.2006)提出了一种新的确定断而综合糙率化的方法。rl/2,7/6(4)式中人、‘2R13、P都是对整个横断而进行积分，其中,I、=^h/h)n)dyBw(5)Ir产J⑷饥严九/“严。Bw(6)从=卩"/I代严门(心/n严J1+(比/如2dyBw(7)P=JJl+(0z/0y)2dyBw(8)其中，/?为一

8、待定参数，彼“为断血最深点糙率，斤、1（、h分别为断血上任一点局部糙率、垂线平均流速和局部水深，P是对整个横断而述行积分求断而湿周，为任意一点的垂线平均流速、水深。首先构造流速沿河宽方向分布的关系式（9）,再在河宽方向上进行数值积分求出正常水深。假定存在以下关系式:利用Q=uhdy,心)—5、R/3R/2%卫")「丿将式⑴中的