Uniform Flow of Molten Metals in Rectangular Open Channels

The flow of liquids in open channels has been studied since ancient Rome. However, the vast majority of published reports on flow in open channels are focused on the transport of drinking water and sewage disposal. The literature on the transport of molten metals in open channels is quite scarce. In this work, the uniform flow of pig iron and molten aluminum in rectangular open channels is studied. Specific energy curves are constructed and critical heights are analytically determined. The transition from subcritical to supercritical flow is analyzed as a function of the angle of inclination of the channel and the roughness of its walls. Manning’s equation is applied to the pig iron flow using data reported in the literature for molten aluminum. The need to correct the roughness coefficient for pig iron is observed in order to obtain results consistent with those previously reported.

刍议亭子口灌区工程矩形明渠钢模台车施工技术

亭子口灌区工程是国务院172项重大节水灌溉工程之一,是四川省水资源配置总体布局“六横六纵”中的重要骨干工程。该工程总干渠长约144.573 km,主要由隧洞、渡槽、明渠构成,其中明渠累计长度为16.325 km,占渠线总长度的11.29%。钢模台车作为一种新设备、新工艺,其整体模板可一次拼接,重复使用,可以有效减少施工人员和机械设备的投入,施工机械化程度高,施工进度快,成本低,工作效率和经济效益高,在矩形明渠施工中具有较大的优势,值得推广应用。笔者介绍了钢模台车在亭子口灌区工程矩形明渠中的使用情况。

不同底坡矩形明渠跌水流量测算模型试验结果

对跌水测流的研究,主要集中在坡度和糙率对EDR(跌坎水深与临界水深之比)值的影响以及流量计算公式等方面。但也存在一些问题,比如缺乏针对负坡和陡坡渠道跌水的研究等。通过模型试验和数值模拟相结合的方法对不同坡度的矩形明渠自由跌水的EDR值以及流量公式进行了研究。结果表明:在明渠糙率n=0.009时,EDR值随着明渠底坡S的增加而减小,并给出了EDR与S及明渠单宽流量q之间的经验公式;EDR值随来流弗劳德数Fr0的增加而呈指数规律减小;通过理论推导给出了EDR与跌坎断面水流弗劳德数Fre之间的关系方程,并利用试验数据和数值计算结果对此关系进行了验证。

LAW OF BOUNDARY SHEAR IN OPEN RECTANGULAR CHANNELS WITH UNIFORM ROUGHNESS

In accordance with the characteristics of the rectangular prismatic channel,the flow in the channel was divided into two parts, the bed part and the wall part. On the basis ofgeneral principles of mechanics, the area relation between the bed part and the wall part was workedout. A formula for determining the shear acting on the bed and the walls in rectangular channelswas derived, which has a simple form and is only related to the ratio of the breadth to the depth.The difference between the calculated value with the presented formula and the data published wasillustrated to be less than that with other, formulas, which shows that the formula is reasonableand can model the flow in the rectangular prismatic channel with higher accuracy and reliability.

矩形明渠边界平均剪切应力变化规律研究

针对棱柱型矩形明渠的特点 ,在分析均匀流运动机理的基础上 ,认为水流可以分为河床作用部分和岸壁作用部分 ,各部分分别作均匀流运动。在分析水体能量消耗的物理模式的基础上 ,提出了面积分割的补充关系。对于河床和岸壁糙率相同的情况 ,利用静力平衡条件和水流连续方程 ,可推得水流槽底、岸壁剪应力的计算关系式。对关系式的讨论表明 ,公式结构合理 ,能反映明渠水流的特点。对已有水槽试验资料进行的分析表明本文提出的计算关系式较好地描述水流的实际情况 ,比已有的公式更简便可靠。

灌区明渠无喉道量水槽水力特性的影响因素研究

为探究无喉道量水槽在不同坡度渠道的适用性,解析影响无喉道量水槽水力特性的因素,本文在模型试验的基础上,通过数值模拟软件对过槽水流进行了三维数值模拟,分析了水面线、壅水高度、佛汝德数的沿程变化及测流公式。研究结果表明,数值计算结果能够较好地表征出模型试验相关水力特性,模拟水面线结果与实测结果基本一致;基于能量守恒原理和量纲分析推出水位流量关系式,进一步拟合数据,得到了适应于不同坡度的测流公式,平均计算误差均小于5%,满足测量要求;收缩比对佛汝德数和壅水高度影响显著,当流量不变时,佛汝德数随收缩比的增大而增大,壅水高度随收缩比的减小而增大。该研究可为灌区无喉道量水槽量的应用提供一定的参考依据。

矩形断面明渠均匀流水力计算的直接计算公式

【目的】寻求矩形断面明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式。【方法】通过对矩形断面明渠均匀流水力计算公式进行恒等变形,推导出计算矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用。【结果】得到矩形明渠均匀流水深和渠道底宽的直接计算公式,误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,矩形均匀流水深和渠道底宽的最大相对误差均小于0.2%。【结论】该公式形式简捷,计算精度高,能满足工程实践要求。

矩形明渠均匀流水深及底宽的渐近耦合算法

基于矩形明渠均匀流方程的渐近解 ,通过线性耦合并构造残差的有理分式逼近函数 ,提出了一种渐近耦合法用于建立矩形明渠均匀流方程的近似算式 该算式便于直接计算 ,适用范围广 ,在定义域内的精度可达 10 -4 通过基本方程变形 ,还提出了另外一种形式略微复杂但精度可达 10

矩形平底明渠水跃长度公式的分析与应用

【目的】研究矩形平底明渠水跃长度和旋滚长度的分类及其计算方法。【方法】收集了国内外43个水跃长度计算公式,在前人对水跃长度和旋滚长度研究的基础上,按其计算参数(跃后水深、跃前和跃后水深、跃前断面的弗劳德数与跃前或跃后水深以及其他表示方法)对这些公式进行分类,根据模型试验资料提出了计算水跃长度和旋滚长度的新公式。【结果】43个公式中,有12个公式适宜于计算水跃长度,有3个公式适宜于计算旋滚长度,其他大多数公式的计算结果介于水跃长度和旋滚长度之间,有1个公式与试验结果相反;提出的新公式与试验资料吻合较好。【结论】明确了水跃长度与旋滚长度的关系,推荐了4个适应弗劳德数范围大、精度较高的公式。提出了计算水跃长度和旋滚长度的新公式。新公式综合考虑了跃前跃后断面水深和跃前断面弗劳德数的影响,适应的弗劳德数范围大,精度高。

明槽非恒流矩形薄壁堰流量公式的研究

一般在水流试验槽的末端设置量水堰，在河流中则设置水文站，用以率定恒定流的水位Ｈ和流量Ｑ０之间的关系。但在非恒流下，这种关系形成绳套，必须另加变量起涨水位Ｈ′０，和水位Ｈ随时程ｔ和流程ｘ的偏导数Ｈｔ和Ｈｘ，即Ｑ＝Ｑ（Ｈ′０，Ｈ，Ｈｔ，Ｈｘ），才能得出合理的关系。当今对非恒流挪用恒定流Ｑ０＝Ｑ（Ｈ）的关系是不合理的。本项研究对非恒流通过矩形薄壁堰三种堰高Ｐ分别实验，各得出满意的拟合结果。并制定出了非恒流矩形簿壁堰的流量公式，用数值计算成果和实验资料校核验证了公式的正确性，以补充当今水力学手册之不足。本试验设备获清华大学实验技术成果三等奖。

明渠恒定均匀流机械能损失构成分析

明渠水流机械能损失的确定是水力学乃至工程流体力学中的重要内容。从明渠均质不可压缩液体恒定总流出发,以流体力学中黏性流体运动数学模型为基础,本质上揭示了机械能损失的构成和相互转化关系。成果表明:矩形明渠均匀流紊流的机械能损失由时均流速梯度引起的损失与紊动能耗散引起的损失组成,当雷诺数较小时,时均流速梯度引起的损失是机械能损失的主要来源,而雷诺数较大时,紊动能耗散引起的损失是机械能损失的主要来源。在宽浅明渠中,雷诺数约为9.5×103时,均流速梯度引起的损失和紊动能耗散引起的损失相等。

矩形明渠三维紊流的数值模拟

在明渠三维流动中，紊流产生的二次流起关键作用．它对主流流场分布、壁面应力及污染物的扩散有很大影响，有时还影响床面的稳定．Ｋ－ε紊流模型及类似的双方程模型不能计算这种二次流动．本文将非线性Ｋ－ε紊流模型用于明渠三维紊流的计算，模型用张量形式推出，比代数应力模型更易推厂到复杂边界流动．应用这一模型及另两种代数应力模型对矩形明渠流动进行计算．所得结果，尤其是表述紊流特征的量，与实测资料进行了详细比较．并对各种紊流模型及边界条件处理方法做了评估．

受边壁影响的矩形光滑明渠垂线流速分布研究

当明渠宽深比较小时,由于边界剪切应力分布不再是均匀的。垂线流速分布由底向上,从某一高度开始,在该点以下为对数分布,在该点以上为抛物线分布。本文在已有研究理论的基础上,验证了流速最大点位置α分布公式的正确性,提出了光滑矩形明渠各垂线上流速分布的新抛物线公式。

矩形平底渠道淹没水跃区的水头损失

研究了矩形平底明渠淹没水跃区的水头损失。根据Rajaratnam对淹没水跃区的流速分布、壁面切应力、最大流速的试验成果和Verhoff附壁射流区断面流速分布的计算公式,应用紊流边界层理论研究了淹没水跃区的边界层发展和沿程水头损失的计算方法。根据动量方程和能量方程研究了淹没水跃区的跃前断面水深、总水头损失、局部水头损失、消能率的计算方法。给出了淹没水跃区最大流速、紊流边界层厚度、沿程水头损失、总水头损失、局部水头损失、局部阻力系数、消能率的计算方法。研究表明:淹没水跃区的总水头损失是跃前断面弗劳德数、跃前水深和淹没度的函数,沿程水头损失和局部水头损失与跃前断面流速、水深、水跃长度、跃前断面的特征雷诺数和消力池宽度有关。淹没水跃区的水头损失主要是局部水头损失,消能率随着弗劳德数的增加而增加。

矩形明渠均匀流水深和底宽的算子分裂算法

应用算子分裂思想将矩形明渠均匀流方程分裂为两个简单算式 ,通过耦合方法建立了整个定义域内的统一近似算式 ,该算式结构简明 ,计算方便 ,精度可达

矩形明渠层流垂向流速分布类型研究

为找寻准确合理的明渠水流垂向流速分布类型,采用理论分析方法对明渠流动的理论解进行解读,按抛物型分布、指数型分布、对数型分布3种形式绘制垂向流速分布图进行比较,发现不能采用统一的对数型流速分布来表示全断面流速分布。二维明渠理论解的垂向流速分布验证表明,无量纲的垂向流速分布只能是无限逼近理论最大值,与实际情况有出入,真实的流速分布规律应由理论流速分布与实际流速分布二者去逼近。

矩形明渠非恒定渐变流水深的计算——圣维南(Saint-Venant)方程组的解析解

利用圣维南方程组对矩形明渠非恒定渐变流动的计算,本文给出了解析解,该解具有简单实用的优点,可以求得任意精度的近似值以满足实际工程的需要.

基于数值模拟的矩形明渠床面切应力分析

河道流动受边界切应力影响,边界切应力过大会造成河岸被侵蚀,降低河岸的稳定性,并通过影响泥沙的沉积和搬运,引起河流形态变化。探究河流边界切应力,就是探究河流中水流流动状态、结构特性等问题。由于河流中影响边界切应力的因素多且复杂,本文去掉各种不确定的因素,通过数值软件建立一个2维矩形直道明渠流动模型,并运用相似理论对矩形直道明渠模型进行缩尺试验。首先,对5种比尺的均匀流直道模型的流动进行数值模拟,由于该5组直道明渠模型模拟结果统一出来的水位流量关系与曼宁公式推导出的水位流量关系高度一致,因此可以认为该模型模拟出来的参数真实可靠。针对非均匀流的情况,通过欠均匀流和超均匀流的概念,对9组直道模型非均匀流进行数值模拟,运用动量定理对非均匀流直道中心处间隔相同的101个点位进行受力分析,每两个点之间取一次切应力的平均值,再将所有点位的阻力求和,沿程积分得出河床阻力,大大减少水位波动等不确定因素带来的误差影响。最后,推导出通用的床面切应力公式,该公式表明无论矩形明渠的流动是否为均匀流,都可通过水深h、流速u、曼宁糙率系数n这3个参数求出床面切应力。将本文所得公式与现有的4个河床切应力求解公式进行对比,发现本文的公式既符合动量定理,又有物理意义。该研究成果相对于过去常用的方法更为简便,可以将复杂的流体力学问题(求解偏微分方程)变为简单的代数问题。

矩形明渠消力池水跃的水头损失研究

为了研究沿程水头损失与局部水头损失的变化规律,根据沿程水头损失的基本定义,推求矩形明渠消力池水跃区沿程水头损失与床面阻力系数、水跃共轭水深比、跃前断面宽高比及跃前断面水深的理论关系,提出了矩形明渠水跃区沿程水头损失及其系数和局部水头损失系数的理论公式,给出了沿程水头损失系数、局部水头损失系数和总水头损失系数的简单拟合公式。研究表明:沿程水头损失随着跃前断面水深和床面阻力系数的增大而增大,随着水跃共轭水深比和跃前断面宽高比的增大而减小;局部水头损失系数随着跃前断面弗劳德数的增大而增大;水跃区局部水头损失占比随着弗劳德数的增加而增加,弗劳德数为3时的局部水头损失占比达到90%,弗劳德数为6时的局部水头损失占比已达到95%以上。研究成果可进一步完善并丰富水跃理论体系。

矩形渠槽水面线的解析近似算法

采用常规的分段求和法完成矩形断面明渠水面线计算,不但存在误差累积且计算工作量大、效率低。依据优化拟合理论,以标准剩余差最小为目标函数,在工程适用参数范围内,经拟合计算获得了由一个简化通用算式替代原积分中的不可积函数,不但实现了由差分逐断面推算改为直接完成求解,且由于正、负拟合误差的相互抵消,使最终计算成果的精度进一步提高。利用该近似公式完成矩形断面明渠水面线计算,可使求解过程大大简化,工作效率明显提高,具有实用推广意义。