计算机在明渠水面线中的应用

计算机在明渠水面线中的应用

摘要:明渠水面线的计算以及绘制是水力学的重要内容,是所有水利工程设计的重要依据。文章主要就目前明渠水面线的计算机辅助计算方面的问题进行了探讨。

关键词:明渠水面线计算机辅助设计

在灌区设计中,灌区渠道的设计水面线是渠道纵横断面结构设计的一项重要内容,它是灌区改造的关键,直接关系着灌区效益和灌区改造工程量的大小。我国是一个农业大国,农业是我国国民经济的基础产业。与此同时,我国又是一个水资源相当贫乏的国家,绝大部分渠道未作衬砌,渠道渗漏严重,渠系水利用系数低,灌区管理体制和经营体制不利于调动各方节水的积极性;用水管理落后,农民节水意识差。需要进一步加强明渠方面的研究,以下论文主要探讨了计算机在明渠水面线中的应用。

1 计算机在明渠水面线计算中的重要性

随着时代的前进,灌区内基础水量逐年下降,灌区水污染也逐步加剧,可利用水资源减少。因此,若要日后能使水资源充分发挥其效益,实现水资源的可持续利用,必须要采取以节水为中心的工程、农业灌溉技术和管理等综合措施,大幅度提高灌区水的有效作用率。在水利工程中,仅对水面线做定性分析是不够的,还需要定量知道非均匀流断面的水力要素变化,如水深、断面平均流速等,即要对水面曲线进行具体

计算和绘制。水面曲线的计算结果可以预测水位的变化及对岸坡的影响,平均流速则是提供渠道是否冲淤的主要依据。因此,水面线计算是渠道水力计算的重要内容之一。

大型水利工程中,必须计算筑坝后上游河道的水面曲线。计算水面线可有效估计淹没范围,为安全地做好移民及资源保护、耕地保护提供了依据。为了宣泄水库的多余洪水需要修建溢洪道时需要计算溢洪道的水面曲线和溢洪道出口处的水深及流速,以便设计溢洪道边墙高度利用计算来提供依据。

在我国大力开发西部地区水电与灌溉基础设施都需要严密的科学计算理论依据。因此在这样的要求下,对水面线计算方法进行整理是非常很有必要的。明渠由于渠底坡或糙率沿程变化,横断面几何形状或尺寸沿程改变,或在明渠上修建水工建筑物都会使明渠水深和流速等水力要素沿程改变,在明渠中形成非均匀流。人工渠道或河道中的水流大多数都属于非均匀流,因此研究明渠的计算可以对解决生产实际问题有重要意义。

2 计算机在明渠水面线计算中的方法

当前已有的国内外水面线计算方法可分为棱柱体明渠恒定流、非恒定流计算以及非棱柱体渠道。诸多计算方法中基本的算法都是基于分段求和方法,即把所要计算的水面流域划分为微小的区间,然后再利用现有的水力学计算公式进行求解,最后求和就可以得到所求流段的

水面线、流段长度等水力要素。同时,当前的计算方法基本上全是对于直线型坡底进行的水面线计算。在水利工程上曲线形底坡往往能够更好的解决问题。利用现有的计算方法,很难精确计算出水面线高度,给边墙设计带来了很大的麻烦和不便。

随着计算机技术的不断进步,一些简单实用的程序被用在水面的计算上。这些程序一般简洁,省去了大量的人力。在处理一些形式的简单的渠道时及溢洪道时可以得到满足工程要求的计算精度。因此,规范的程序化将会是计算流体力学的发展方向。实际工程中,有时会出现由于渥奇面设计不合理而引起的水流流态差,使明流段水流脱离底面,形成自由射流,抛出泄槽。但是目前还没有成熟的关于渥奇面水面线计算的公式。因此,探讨一种合理有效的计算渥奇面水面线的方法,可以验证所设计的渥奇断面的合理性。对保证工程设计合理及工程安全有重要的意义。

3 计算机在明渠水面线计算方法的比较

分析计算其水面曲线的变化规律是确定明渠边墙高度及回水淹没范围的重要依据,在进行水面线计算之前,要对水面线进行定性分析,以判别水面曲线的类型,然后从控制断面开始计算。分段求和法将流程划分为若干流段,每一段用试算法求流段长度得到水面线,该法适用于棱柱体和非棱柱体渠道,计算精度与流段的长度划分有关。长度划分越小,精度越高,当然计算工作量也越大。又由于他的试算特点,给编制计算通用程序带来很大不便。数值积分法认为流段长度是水深的复

杂积分函数,用数值计算的方法求解积分函数,计算繁杂。水力指数法和图解法人工工作量太大,不利于程序的自动求解。

渠道设计水面线计算方法较多,但绝大多数渠道均为非棱柱体渠道,其断面形状及尺寸是沿程变化的,断面上各水力要素也因渠道断面沿程变化而变化,所以非棱柱体渠道每一流段均需试算,计算过程比较复杂。传统水力指数法和图解法人工工作量太大,不利于程序的自动求解团。传统方法推求水面线一般采用人工反复试算或图解法,其法计算速度慢、精度低。因此许多专家学者利用C+或VB等计算机语言结合各种数学方法编制计算机程序,将其计算过程转化成相应的计算机程序。通过人机对话,推求出水面曲线的形式及相应的数据,很大程度上提高了求解速度与精度,并在实际工程设计中发挥应有的作用。

采用简化法计算结果与分段法比较,其误差非常小,在实际应用中完全可以满足工程要求。在水利灌区改造渠道设计水面线优化的实践过程中还需要在流量发生变化的时候保持相对稳定的水位,只有这样才有利于渠坡和衬砌的工程安全。节制闸虽然可以实现渠道中水位和流量控制,但节制闸的使用必定会使渠道中的水位和流量发生巨大的沿程变化。

4 结语与展望

本文总结了水面线计算的常用方法并介绍了几种新探讨的水面

线计算方法,分析了各计算方法的计算原理及优缺点。现借助于计算机,在简单的程序下就可实现水面线的推求,因此还是得到最广泛的应用。积分法和图表法由于其工作比较繁琐,所以在应用上受到一定的限制。各种简化公式应用起来比较的方便,并且可以得到满足工程要求的计算精度,但是一些简化式的适用性受到一定的限制。一些只是适用于矩形明渠,而实际工程中很大部分是梯形明渠。

参考文献

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