CN111400974A - 一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法，包括：测量参数；计算床面平均切应力；计算壁面平均切应力；计算两侧边壁上的拖曳力与床面拖曳力的比值。本发明所述的方法利用光滑矩形河渠的断面尺寸、水力坡度和宽深比修正系数来计算边壁和床面的平均切应力，能准确计算恒定均匀流条件下水流作用在壁面和床面上的拖曳力。该方法将壁面平均切应力的计算精度提高到7.5%以内，计算精度大幅提高。相比传统的床面切应力计算方法，本发明所述方法综合考虑边壁效应，能更准确地分析河渠阻力系数和河床冲淤变化。所述的方法方便简洁，能适用于不同宽深比的河渠，将宽浅河渠和窄深河渠的壁面切应力计算统一起来，适用范围更广。

Description

一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法

技术领域

本发明涉及一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法，是一种水工计算方法，是一种用于实验水槽和河渠阻力分析和泥沙研究的方法。

背景技术

矩形河渠边壁阻力和河床阻力是水槽实验和河道水力学研究的基本要素，是河渠阻力系数研究的基础，也是泥沙沉降和输运计算的前提。矩形河渠边壁和河床的切应力分布与断面流速分布、边壁粗糙度、过水断面形态和二次环流等因素密切相关。现场量测河渠不同断面的非均匀性、边壁粗糙度、流速和二次环流分布是一项耗时耗力的工作，数据采集难度大。即便是针对光滑矩形水槽，也很少有研究详细分析边壁和床面切应力与流速分布、粗糙度、流速和二次环流等因素间的关系。这会影响水槽实验下水流的均匀性，特别是边壁效应会影响床面平均切应力的计算，进而影响推移质输沙率和床面冲刷计算的准确性。光滑矩形河渠壁面切应力分布和非均匀性是水力学研究的重要瓶颈问题，亟待突破解决。因此，有必要提出一种简单有效的方法计算光滑矩形河渠边壁和床面的平均切应力。

针对光滑矩形河渠，传统的壁面切应力计算一般假设河渠是宽浅河道，忽略两侧边壁上的切应力。河床的平均切应力近似为水体重力沿底坡的分力。该计算方法的主要缺陷是：人工河渠或者实验条件下的矩形水槽并不满足宽浅河道假设，忽略边壁切应力的方法计算误差大，不能满足工程设计的需求。国外学者针对大量的实验水槽壁面切应力分布数据，在传统壁面切应力的计算方法上添加了宽深比的影响系数，能够提高一定计算精度。但相应的系数修订方法与实验资料的相关性差，无法采用统一的方程计算不同宽深比的河渠边壁和床面切应力。如何精确且简洁的计算估算矩形河渠壁面和床面切应力是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法。所述的方法在光滑矩形河渠平均边壁切应力的计算中考虑断面形态和宽深比的综合影响，利用水的比重、河宽、水深、湿周和水力坡度分别计算边壁和床面平均切应力。所述的计算方法有利于提高光滑矩形河渠壁面和床面平均切应力的计算精度和准确性。

本发明的目的是这样实现的：一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，测量参数：实地测量矩形河渠的河宽B、水深H、湿周P和水力坡度s；

步骤2，计算床面平均切应力τ_b：

步骤3，计算壁面平均切应力τ_w：

式中，γ为水的比重；

步骤4，计算两侧边壁上的拖曳力与床面拖曳力的比值：

其中，F_w为水流作用在两侧边壁上的拖曳力，F_b为水流作用在床面上的拖曳力。

本发明的优点和有益效果是：本发明所述的方法利用光滑矩形河渠的断面尺寸、水力坡度和宽深比修正系数来计算边壁和床面的平均切应力，能准确计算恒定均匀流条件下水流作用在壁面和床面上的拖曳力。该方法将壁面平均切应力的计算精度提高到7.5％以内，计算精度大幅提高。相比传统的床面切应力计算方法，本发明所述方法综合考虑边壁效应，能更准确地分析河渠阻力系数和河床冲淤变化。所述的方法方便简洁，能适用于不同宽深比的河渠，将宽浅河渠和窄深河渠的壁面切应力计算统一起来，适用范围更广。

附图说明

图1是本发明实施例所述方法的流程图；

图2是本发明实施例所述方法的边壁水流拖曳力与床面拖曳力的比值与宽深比的关系示意图；

图3是本发明实施例所述方法的方程1计算的无量纲的床面切应力与实测值的对比示意图；

图4是本发明实施例所述方法的方程2计算的无量纲的边壁切应力与实测值的对比示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法，所述方法的步骤如下：

步骤1，测量参数：实地测量矩形河渠的河宽B、水深H、湿周P和水力坡度s；

步骤2，计算床面平均切应力τ_b：

步骤3，计算壁面平均切应力τ_w：

式中，γ为水的比重；

步骤4，计算两侧边壁上的拖曳力与床面拖曳力的比值：

其中，F_w为水流作用在两侧边壁上的拖曳力，F_b为水流作用在床面上的拖曳力。

本实施例利用光滑矩形河渠的宽度、水深、湿周和水力坡度分别计算边壁和床面的切应力，其理论原理和数学基础如下：

通过系统收集和整理外光滑矩形河渠边壁和床面切应力的实测资料，相关的数据统计见表1。

表1.光滑矩形河渠边壁和床面切应力资料

通过系统分析表1中所有的数据，研究发现水流作用在两侧边壁的拖曳力与床面拖曳力的比值仅仅为形态系数宽深比的函数，具体表达式为方程(3)。该方程与各实测资料的对比见图2。结果显示方程(3)能够准确描述不同宽深比下的边壁拖曳力与床面拖曳力的比值，方程与数据的拟合度为95.1％。

而床面水流拖曳力为平均床面切应力在河宽上的积分，可表示为：

F_b＝τ_bB (4)

同理，壁面水流拖曳力为：

F_w＝τ_w2H (5)

其中，光滑矩形河渠的湿周为：

P＝B+2H (6)

在恒定均匀流条件下，河渠水流的重力与边壁和河道的阻力平衡，则有：

2Hτ_w+Bτ_b＝γBHs (7)

引入一个参数

来无量纲化边壁和床面切应力，方程(7)变为：

联立求解方程(3)、(4)、(5)和(8)，可分别得到无量纲的边壁和床面切应力为：

将方程(1)和(2)分别用于表1中各组观测河渠的壁面切应力计算，结果见图3和4。结果显示方程(2)和(3)与实测值的拟合度高达96.5％和99.0％。因此，本实施例提出的壁面和床面切应力计算方法能很好的计算不同宽深比光滑矩形河渠的边壁与河床平均切应力及水流拖曳力。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如被研究河道的形态、各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种估算矩形河渠壁面和床面切应力的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，测量参数：实地测量矩形河渠的河宽B、水深H、湿周P和水力坡度s；

步骤2，计算床面平均切应力τ_b：

步骤3，计算壁面平均切应力τ_w：

式中，γ为水的比重；

步骤4，计算两侧边壁上的拖曳力与床面拖曳力的比值：

其中，F_w为水流作用在两侧边壁上的拖曳力，F_b为水流作用在床面上的拖曳力。

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