蛋形断面明渠水力特性的研究

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蛋形断面有三种形式,即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型四圆弧蛋形断面、上、下椭圆蛋形断面和六圆弧蛋形断面。蛋形断面由于几何形状复杂,使得水力参数和水力计算均比较复杂,其中,水力参数包括:蛋形断面的断面面积、水面宽度、湿周、水力半径、断面形心距水面的距离,水力计算包括蛋形断面的正常水深、临界水深、水跃共轭水深、水面线的计算。通过数值模拟研究六圆弧蛋形断面水跃区的水流流态、流速场、压强场、紊动强度和紊动耗散率、以及水面线、水跃共轭水深、水跃长度的变化规律。其目的就是寻求蛋形断面水力计算的简化方法以及水跃区流场的变化规律。  根据蛋形断面的几何形状、通过分块方法计算蛋形断面不同水深时的断面面积、水面宽度、湿周、水力半径、分块形心位置和总形心位置距水面的距离;根据明渠均匀流理论和临界水深理论研究蛋形断面的正常水深和临界水深,根据水跃共轭水深理论研究蛋形断面的水跃共轭水深的计算方法,根据明渠水面线的理论研究蛋形断面水面线的计算方法。根据紊流数值模型用Fluent软件计算了不同弗劳德数情况下六圆弧蛋形断面的水跃情况。  详细推导了蛋形断面的水力参数,给出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型四圆弧蛋形断面和六圆弧蛋形断面相对断面面积、相对水面宽度、相对湿周、相对水力半径、断面相对形心位置和相对水深的简化公式;给出了上、下椭圆蛋形断面水力参数的计算方法,特别是提出了椭圆曲线任意弧长的计算方法。给出了四圆弧蛋形断面和六圆弧蛋形断面正常水深、临界水深的简化计算方法、水跃共轭水深的迭代计算公式以及水面线分段试算法的简化计算公式和积分公式,对于椭圆蛋形断面,也给出了正常水深、临界水深、水跃方程的一般计算公式。对数值计算结果进行了分析,给出了断面流速分布规律和断面最大流速沿程分布的计算公式,给出了壁面切应力沿程分布情况和压强沿水深和沿程分布规律,给出了水跃长度的计算公式,并将数值计算的水跃共轭水深与理论值进行了对比,给出了水面线的沿程变化情况,研究了水跃区的紊动强度和紊动耗散率。  蛋形断面水力计算的简化计算公式形式简单、精度满足工程设计要求,数值模拟结果基本反映了蛋形断面水跃的变化规律,可以作为工程设计的参考。
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