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明渠弯道水流的水力特性研究

万俊  
【摘要】: 水在流动的时候,受边界条件的影响很大。边界条件的些微变化,就可能引起水流形态的巨大变化。明渠弯道水流是工程实际中经常碰到的一种水流形式。 按照弯道在空间中的分布型式,可将明渠弯道分为平面、垂向和复合型弯道。本文从微元水体的动力学方程出发,在总结前人成果的基础上,对三种弯道形式下的水流进行了研究。 存在转弯,就必然存在向心力。平面弯道中,由于没有在水平方向上能够提供向心力的施力物体,故在水平转弯时,水流只能以形成水面超高的形式来形成水平方向的压力差,从而提供转弯时所需的向心力。这个超高的具体计算公式前人已经做了推导,本文给出了另一种较为简洁的推导方法。 垂向弯道的向心力由水的自重和底板压力的合力来提供。在凸面上,底面压力变小,向心力与水的自重方向一致;在凹面上,底面压力变大,向心力与水的自重方向相反。这个相对于不转弯的直线底板增大或者减小的部分,在本文中被命名为“转弯附加压力”。本文从微元水体在弯道中的动力学方程出发,给出了这个附加压力的表达式,并将附加压力全水深平均后代入能量方程,引入水流垂线流速的幂指率,联立连续方程,给出了水深沿程变化的控制方程,即适合于急变流的能量方程。利用Visual Basic程序语言编程计算,得到了与试验值相符良好的计算结果。该程序能够适应不同的计算模型,只要在边初值输入窗口输入具体问题的值,就可以得到需要的解答。 根据矢量合成定理,将复合型弯道分为水平的和垂向的弯道来考虑。本文着重研究了复合型弯道的具体工程实例:扭曲挑坎。从垂向弯道的水面线控制方程中的附加压力公式出发,讨论了挑坎底板垂向上的曲率半径变化规律对附


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