CN115060461B - 一种基于闸门的涌潮生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于闸门的涌潮生成方法。本发明方法包括以下步骤：S1，确定室内水槽、闸门和蓄水池的相关参数，包括矩形水槽的宽度、高度和底坡，位于水槽上游端的闸门的宽度和高度，以及与闸门上游相连的蓄水池的宽度；S2，基于潮前水深和涌潮高度确定水槽上游蓄水池水深；S3，基于所需生成的涌潮持续时间和长度，确定蓄水池长度；S4，基于所需生成的涌潮特征，形成所需的潮前水深和蓄水池水深，突然打开闸门生成涌潮。本发明方法对室内水槽涌潮生成进行设计，能在室内水槽中生成需要的涌潮高度。本发明方法节省了设计成本。

Description

一种基于闸门的涌潮生成方法
技术领域
本发明涉及水利治河工程领域，具体涉及室内涌潮水槽试验涌潮生成设计方法。
背景技术
涌潮是发生在强潮河口的特殊水动力现象，涌潮前后存在水位、流速、流量的突变。涌潮过后，水位急剧抬升。
涌潮水槽试验是研究涌潮水动力特性和传播规律，以及评价涌潮与工程相互作用的重要研究手段。涌潮生成是涌潮水槽试验的关键和难点，水槽试验的特点要求在下边界处形成涌潮。因此，一般采用边界生潮法生成涌潮，目前采用调节水泵流量发生突变方法在水槽下边界处生成涌潮，但其受水泵功率、扬程、响应时间等特性影响较大，试验调试工作量大。为此，探求涌潮水槽试验中的其他边界生潮法具有重要的实际意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于闸门的涌潮生成方法。
本发明采用的技术方案是：
一种基于闸门的涌潮生成方法，通过突然打开闸门的方法生成涌潮。设闸门位于x=0处，初始时刻闸门二边水体静止，上游为蓄水池，蓄水池水面高度或水深为H 0，下游为水槽，水槽水面高度或水深为h 0。本发明包括以下步骤：
S1、确定室内水槽、闸门和蓄水池的相关参数，包括矩形水槽的宽度、高度和底坡，位于水槽上游端的闸门的宽度和高度，以及与闸门上游相连的蓄水池的宽度；
S2、基于所需生成的涌潮强度求得水槽上游蓄水池水深；
即已知所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，求得水槽上游蓄水池水深H 0；
S3、基于所需生成的涌潮持续时间和长度，确定蓄水池长度；
根据所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，以及涌潮持续时间T和涌潮长度λ，确定蓄水池长度L；
S4、基于所需生成的涌潮特征，形成所需的潮前水深h 0和蓄水池水深H 0，突然打开闸门生成涌潮。
进一步地，在步骤S1中，所述确定矩形水槽的宽度、高度和底坡，闸门宽度和高度，以及水槽上游蓄水池宽度，具体为：
根据需要形成的涌潮宽度，确定水槽宽度B，闸门宽度和水槽上游蓄水池宽度与水槽宽度相同；
根据需要生成的最大涌潮高度H max 、最大潮前水深h 0max和超高H c ，确定水槽高度H w =H max +h 0max+H c ，闸门高度与水槽高度相同；
底坡为0，即为平底。
进一步地，所述超高H c 取0.5m。
进一步地，在步骤S2中，所述已知潮前水深h 0和涌潮高度H，求得水槽上游蓄水池水深H 0，具体计算过程为：
涌潮传播速度为
Figure 25797DEST_PATH_IMAGE001
（1）
根据涌潮前后质量守恒，并考虑到潮前流速u 0=0，得到
Figure 436049DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中，h 0为潮前水深；
H为涌潮高度；
C为涌潮传播速度；
u 1为潮后流速；
g为重力加速度；
将式（1）代入式（2）得
Figure 720138DEST_PATH_IMAGE003
（3）
利用特征关系得到
Figure 583052DEST_PATH_IMAGE004
（4）
式中
Figure 479464DEST_PATH_IMAGE005
Figure 9802DEST_PATH_IMAGE006
h 1为潮后水深；
将式（4）代入式（3）得
Figure 497415DEST_PATH_IMAGE007
（5）
已知潮前水深h 0和涌潮高度H，即可采用式（5）求得蓄水池水深H 0。
进一步地，在步骤S3中，所述已知潮前水深h 0和涌潮高度H，以及涌潮持续时间T和长度λ，确定蓄水池长度L；具体计算过程为：
根据特征线和特征关系，得到
Figure 80581DEST_PATH_IMAGE008
（6）
式中x为距离；t为时间；
整理后得到
Figure 577421DEST_PATH_IMAGE009
（7）
对上式积分，得到压缩波出现时间
Figure 962266DEST_PATH_IMAGE010
（8）
同时求得压缩波出现位置
Figure 355202DEST_PATH_IMAGE011
（9）
进而得到涌潮持续时间
Figure 723866DEST_PATH_IMAGE012
（10）
和涌潮长度
Figure 991774DEST_PATH_IMAGE013
（11）
将式（8）和（9）分别代入式（10）和（11），得到
Figure 762284DEST_PATH_IMAGE014
（12）
Figure 326120DEST_PATH_IMAGE015
（13）
根据式（12）和（13），涌潮持续时间T和涌潮长度λ与蓄水池长度L有关，据此，根据所需可以确定蓄水池长度L。
本发明的有益效果是：
本发明方法能在涌潮水槽试验下边界处生成涌潮，涌潮大小根据需要生成，该方法节省了试验中涌潮调试工作量，并节省了设计成本。
附图说明
图1为涌潮生成示意图；
图2为蓄水池水深与涌潮高度、潮前水深的关系图；
图3为涌潮持续时间与蓄水池长度、位置的关系图；
图4为涌潮长度与蓄水池长度、时间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
本发明一种基于闸门的涌潮生成方法，包括以下步骤：
S1，确定室内水槽、闸门和蓄水池相关参数，包括矩形水槽的宽度、高度和底坡，位于水槽上游端的闸门的宽度和高度，以及与闸门上游相连的蓄水池的宽度。
根据所需形成的涌潮宽度，确定水槽宽度B，闸门宽度和水槽上游蓄水池宽度与水槽宽度相同。本实施例取B =1.0m。
根据所需生成的最大涌潮高度H max 、最大潮前水深h max0和超高H c ，确定水槽高度H w =H max +h max0+H c ，本实施例取H max =0.5m，h max0=0.5m，H c =0.5m。则水槽高度H w =1.5m，闸门高度与水槽高度相同；
底坡为0，即为平底。
S2，基于所需生成的涌潮强度求得位于水槽上游的蓄水池的高度。
如图1所示，已知所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，求得水槽上游蓄水池水深H 0，具体计算过程为：
本实施例取h 0=0.2m，H =0.3m。
水槽上游蓄水池水深H 0为
Figure 916502DEST_PATH_IMAGE016
（5）
根据式（5）绘制图2，即蓄水池水深H 0与涌潮高度H、潮前水深h 0的关系图，图2中给出了潮前水深h 0=0.05、0.1、0.2、0.3、0.4m条件下蓄水池水深H 0与涌潮高度H的关系。给定潮前水深0.2m和涌潮高度0.3m，根据式（5）或者查图2，即可求得蓄水池水深为0.68m。
S3，基于所需生成的涌潮持续时间和涌潮长度，确定蓄水池的长度。
根据所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，以及涌潮持续时间T和涌潮长度λ，确定蓄水池长度L。
涌潮持续时间T和涌潮长度λ与蓄水池长度L的关系为
Figure 755145DEST_PATH_IMAGE017
（12）
Figure 849003DEST_PATH_IMAGE018
（13）
根据式（12）绘制图3，即涌潮持续时间T与蓄水池长度L、位置x的关系图，图3中给出了蓄水池长度L=1、2、3m条件下涌潮持续时间T与位置x的关系。根据式（13）绘制图4，即涌潮长度λ与蓄水池长度L、时间t的关系图，图4中给出了蓄水池长度L=1、2、3m条件下涌潮长度λ与时间t的关系。
根据式（12）和式（13）或者从附图3和附图4中查得蓄水池长度L。本例取蓄水池长度L=2m，相应涌潮最长持续时间为1.39s，最长涌潮长度为5.46m。
S4，基于所需生成的涌潮特征H=0.3m，形成所需的潮前水深h 0=0.2m和蓄水池水深H 0=0.68m，通过突然打开闸门的方法生成涌潮。
上述实施例结合附图对本发明进行了描述，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于闸门的涌潮生成方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、确定室内水槽、闸门和蓄水池的相关参数，包括矩形水槽的宽度、高度和底坡，位于水槽上游端的闸门的宽度和高度，以及与闸门上游相连的蓄水池的宽度；
根据需要形成的涌潮宽度，确定水槽宽度B，闸门宽度和水槽上游蓄水池宽度与水槽宽度相同；
根据需要生成的最大涌潮高度H max 、最大潮前水深h 0max和超高H c ，确定水槽高度H w =H max +h 0max+H c ，闸门高度与水槽高度相同；
底坡为0，即为平底；
S2、基于所需生成的涌潮强度求得水槽上游蓄水池水深；
即已知所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，求得水槽上游蓄水池水深H 0；
具体计算过程为：
涌潮传播速度为
Figure 716229DEST_PATH_IMAGE002
（1）
根据涌潮前后质量守恒，并考虑到潮前流速u 0=0，得到
Figure 289161DEST_PATH_IMAGE004
（2）
式中，h 0为潮前水深；
H为涌潮高度；
C为涌潮传播速度；
u 1为潮后流速；
g为重力加速度；
将式（1）代入式（2）得
Figure 396795DEST_PATH_IMAGE006
（3）
利用特征关系得到
Figure 323162DEST_PATH_IMAGE008
（4）
式中
Figure 796256DEST_PATH_IMAGE010
Figure 149877DEST_PATH_IMAGE012
h 1为潮后水深；
将式（4）代入式（3）得
Figure 72703DEST_PATH_IMAGE014
（5）
已知潮前水深h 0和涌潮高度H，即可采用式（5）求得蓄水池水深H 0；
S3、基于所需生成的涌潮持续时间和长度，确定蓄水池长度；
根据所需生成的涌潮参数：潮前水深h 0和涌潮高度H，以及涌潮持续时间T和涌潮长度λ，确定蓄水池长度L；具体计算过程为：
根据特征线和特征关系，得到
Figure 802762DEST_PATH_IMAGE016
（6）
式中x为距离；t为时间；
整理后得到
Figure 861853DEST_PATH_IMAGE018
（7）
对上式积分，得到压缩波出现时间
Figure 389305DEST_PATH_IMAGE020
（8）
同时求得压缩波出现位置
Figure 799427DEST_PATH_IMAGE022
（9）
进而得到涌潮持续时间
Figure 67597DEST_PATH_IMAGE024
（10）
和涌潮长度
Figure 246775DEST_PATH_IMAGE026
（11）
将式（8）和（9）分别代入式（10）和（11），得到
Figure 207777DEST_PATH_IMAGE028
（12）
Figure 108125DEST_PATH_IMAGE030
（13）
根据式（12）和（13），涌潮持续时间T和涌潮长度λ与蓄水池长度L有关，据此，根据所需可以确定蓄水池长度L；
S4、基于所需生成的涌潮特征，形成所需的潮前水深h 0和蓄水池水深H 0，突然打开闸门生成涌潮。
2.根据权利要求1所述的涌潮生成方法，其特征在于：所述超高H c 取0.5m。
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