CN112945518B - 明渠恒定流能量损失确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种明渠恒定流能量损失确定方法，包括：获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定目标明渠的第一流动状态；基于目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定目标明渠的第二流动状态；基于目标明渠的第二流动状态和第二流动状态确定目标明渠两断面之间的能量损失。本发明的有益效果为：可以实现计算明渠恒定流在不同流动区域、不同流动状态与不同全场特性条件下的能量损失，使得能量损失的计算更加的精确、全面可靠。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种明渠恒定流能量损失确定方法。
背景技术
人工渠道是明渠的一种，其功能主要是输水、配水与排水，其与天然河道的最大区别在于有相对规则的形状。人工渠道中的水流运动是重力驱动的流动，根据总体描述的理论，其在流动过程中总能量(重力势能，压强势能与动能之和)是逐渐减少的，也即存在能量损失。对渠道，尤其是长距离输、排水渠道，其能量损失的计算是水力计算中最重要的内容之一。在目前的工程计算中，人们将能量损失分成沿程能量损失与局部能量损失两类分别计算，对前者采用糙率系数或作为经验参数，对后者采用局部能量损失系数作为经验参数。在具体实施时，则或者针对不同的渠道边界形状、边壁组成及表面平整状况，选用不同的糙率系数值或局部能量损失系数值；或者通过模型试验或工程类比的方法来确定。这种方法虽然简单易行，但采用的是经验的方法或试验的方法，经验方法所确定的参数并不精准，进而会导致最终结果的不精确，例如针对边壁组成与状况来选择糙率系数这种方法仅对高雷诺数紊流状态才适用，对层流及中低雷诺数流动并不适用，而人工渠道中的流动有不少并不处于高雷诺数流动的状态。此外，采用经验方法也无法直接反映水流紊动特性的影响，而实际中的流动绝大部分均处于紊流运动状态。
发明内容
为了解决现有技术存在的精确度低、测量不全面存在缺陷的问题，本发明提供了一种明渠恒定流能量损失确定方法，其具有精确度高、考虑更加全面可靠等特点。
根据本发明的具体实施方式的一种明渠恒定流能量损失确定方法，包括：
获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定所述目标明渠的第一流动状态；
基于所述目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定所述目标明渠的第二流动状态；
基于所述目标明渠的所述第一流动状态和所述第二流动状态确定所述目标明渠两断面之间的能量损失。
进一步地，所述目标明渠的所述第一流动状态包括层流和紊流。
进一步地，所述获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定所述目标明渠的第一流动状态包括：
基于雷诺系数
进行判断，若雷诺系数ReR<500时流动为层流；
若雷诺系数ReR≥500时流动为紊流；其中
ν为水体的运动粘性系数，
为断面平均流速，Q为流量，A为断面面积；
为水力半径，χ为湿周长度。
进一步地，所述目标明渠的所述第二流动状态包括均匀流和非均匀流。
进一步地，所述基于所述目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定所述目标明渠的第二流动状态包括：
当所述目标明渠流动总体特征量的总体特性沿程不变时为均匀流，否则为非均匀流。
进一步地，所述基于所述目标明渠的所述第一流动状态和所述第二流动状态确定所述目标明渠两断面之间的能量损失包括：
基于对应的预设公式对所述目标明渠的在非均匀流和层流状态、非均匀流和紊流状态、均匀流和层流状态以及均匀流和紊流状态的能量损失对应进行计算。
进一步地，所述目标明渠在非均匀流和层流状态的能量损失为：
进一步地，所述目标明渠在非均匀流和紊流状态的能量损失为：
进一步地，所述目标明渠在均匀流和层流状态的能量损失为：
进一步地，所述目标明渠在均匀流和紊流状态的能量损失为：
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例提供的明渠恒定流能量损失确定方法的流程图；
图2是根据一示例性实施例提供的明渠均匀流和非均匀流的示意图；
图3是根据一示例性实施例提供的四种不同宽深比的矩形断面明渠层流流速分布等值线图；
图4是根据一示例性实施例提供的五种不同雷诺数的矩形断面明渠层流流速分布等值线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参照图1所示，本发明的实施例提供了一种明渠恒定流能量损失确定方法，具体包括：
101、获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定目标明渠的第一流动状态；明渠视其流动状态与总体特性(水深、断面平均流速，等)沿程变化是否均匀而异，在进行计算前首先要对流动进行分类。
根据流动状态的不同可将明渠恒定流细分为层流与紊流(在紊流状态下，所谓恒定指的是系综平均后的流速、压强等流动特征量不随时间变化)
102、基于目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定目标明渠的第二流动状态；
103、基于目标明渠的第一流动状态和第二流动状态确定目标明渠两断面之间的能量损失。
具体的，参照图2所示均匀流是在恒定流中,水力要素不随空间坐标发生变化，均匀流满足流线为相互平行的直线,不定期水断面为平面,形状,尺寸不变；各断面上流速分布相同；均匀流断面的动水压强分布与静水压强的相同。相反的非均匀流就是水力要素沿空间坐标发生变化的水流,流线不再是相互平行的直线。可以根据明渠流总体特性的沿程变化可将其细分为均匀流与非均匀流。这样可以直接在粘性流体运动理论基础上建立能量损失，通过构建能量损失与水流流动区域、运动状态及流动特性的统一可以实现计算明渠恒定流在不同流动区域、不同流动状态与不同全场特性条件下的能量损失，使得能量损失的计算更加的精确、全面可靠。
作为上述实施例可行的实现方式，根据流动状态的不同可将明渠恒定流细分为层流与紊流(在紊流状态下，所谓恒定指的是系综平均后的流速、压强等流动特征量不随时间变化)，采用雷诺系数
来判断，其中，ν为水体的运动粘性系数，
为断面平均流速，Q为流量，A为断面面积；
为水力半径，χ为湿周长度。
当雷诺系数ReR<500时流动为层流：当雷诺系数ReR≥500时流动为紊流。
同时根据明渠流总体特性的沿程变化可将其细分为均匀流与非均匀流，当总体特性沿程不变时，称为明渠均匀流，否则称为明渠非均匀流，参照图3和图4所示，明渠流的能量损失除随其流动状态不同而不同外，还强烈地依赖于流动区域及流动区域中的流动特征量的全场分布。以矩形断面明渠均匀流为例：
参照图3，在雷诺系数ReR＝400的条件下，在宽深比
不同时过流断面上的流速等值线图，从图中左上角顺时针排列依次为
时过流断面上的流速等值线图、
时过流断面上的流速等值线图、
时过流断面上的流速等值线图和
的时过流断面上的流速等值线图。
图4给出了在
的条件下，当雷诺数不同时过流断面上的流速等值线图，从上到下分别为ReR＝63、ReR＝129、ReR＝217、ReR＝362和ReR＝460过流断面上的流速等值线图。可以根据矩形断面明渠流速等值线图进行均匀流和非均匀流的判断。
这样鉴于明渠流的能量损失随流动区域、流动状态及流动区域中相关特征量全场分布变化的上述特点，在对明渠流进行细致分类的基础上，可采用目标明渠对应所在非均匀流和层流状态、非均匀流和紊流状态、均匀流和层流状态还是均匀流和紊流状态进行能量损失的确定：
对于明渠非均匀流，在层流状态下，其能量损失hw为：
对于明渠非均匀流，在紊流状态下，其能量损失hw为：
以上两式中V为两断面之间的流动区域；ρ为水体密度；μ为水体的动力粘性系数；g为重力加速度；
分别为层流与紊流状态下的应变率张量；ui与
分别为层流与紊流状态下的速度；
为雷诺应力。
对于明渠均匀流，能量损失完全为沿程能量损失，其值与两断面之间的距离成正比，在层流状态下，其能量损失hw为：
在紊流状态下，其能量损失hw为：
式中A为过流断面，其它符号与明渠非均匀流计算式的符号相同。
这样实现了直接考虑分子粘性，紊动效应等多种因素的影响；能提供流动区域内能量损失分布的信息，为流动控制提供基础。
通过依据流动区域的几何特性与流动的全场特性来计算明渠恒定流的能量损失。明渠恒定流的能量损失依据其所处流动状态不同而异，对明渠层流，其能量损失完全来源于粘性耗散，其能量损失由粘性耗散形成的损失与维持紊动所形成的损失两项构成。
实现了明渠恒定流在不同流动区域、不同流动状态与不同全场特性条件下的能量损失，其对相关领域工程规划、设计、施工中明渠恒定流能量损失的计算有良好的应用。并且还可提供流动区域中能量损失的空间分布，在流动控制方面也具有很好的应用前景。
本发明上述实施例所提供的明渠恒定流能量损失确定方法，通过根据流动状态的不同可将明渠恒定流细分为层流与紊流，同时根据明渠流总体特性的沿程变化可将其细分为均匀流与非均匀流，然后根据分别计算两断面之间的能量损失可以实现计算明渠恒定流在不同流动区域、不同流动状态与不同全场特性条件下的能量损失，使得能量损失的计算更加的精确、全面可靠。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，包括：
获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定所述目标明渠的第一流动状态；其中，所述目标明渠的所述第一流动状态包括层流和紊流；
基于所述目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定所述目标明渠的第二流动状态；其中，所述目标明渠的所述第二流动状态包括均匀流和非均匀流；
基于所述目标明渠的所述第一流动状态和所述第二流动状态确定所述目标明渠两断面之间的能量损失。
2.根据权利要求1所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述获取目标明渠的流量、过流断面面积和水体的运动粘性系数，并基于雷诺数确定所述目标明渠的第一流动状态包括：
基于雷诺系数
进行判断，若雷诺系数ReR<500时流动为层流；
若雷诺系数ReR≥500时流动为紊流；其中
ν为水体的运动粘性系数，
为断面平均流速，Q为流量，A为断面面积；
为水力半径，χ为湿周长度。
3.根据权利要求2所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述基于所述目标明渠流动总体特征量的沿程变化确定所述目标明渠的第二流动状态包括：
当所述目标明渠流动总体特征量的总体特性沿程不变时为均匀流，否则为非均匀流。
4.根据权利要求3所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述基于所述目标明渠的所述第一流动状态和所述第二流动状态确定所述目标明渠两断面之间的能量损失包括：
基于对应的预设公式对所述目标明渠的在非均匀流和层流状态、非均匀流和紊流状态、均匀流和层流状态以及均匀流和紊流状态的能量损失对应进行计算。
5.根据权利要求4所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述目标明渠在非均匀流和层流状态的能量损失为：
6.根据权利要求4所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述目标明渠在非均匀流和紊流状态的能量损失为：
7.根据权利要求5所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述目标明渠在均匀流和层流状态的能量损失为：
8.根据权利要求7所述的明渠恒定流能量损失确定方法，其特征在于，所述目标明渠在均匀流和紊流状态的能量损失为：
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