[發明專利]一種泵站引渠及前池水體挾沙率的確定方法

有效

• 申請號: 201611070966.8
• 申請日: 2016-11-29
• 公開（公告）號: CN106777557B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 陳鑫;王福軍
• 申請（專利權）人: 中國農業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;何家鵬

本發明涉及一種泵站引渠及前池水體挾沙率的確定方法，包括以下步驟：1)確定泵站引渠及前池水體的流速隨時間變化的關系式；2)計算泵站引渠及前池水體的最大謝爾茲數Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；3)計算泵站引渠及前池水體的泥沙沉降速度w和泥沙在輸沙層內的沉降時間與流動周期的比值Ψ；4)計算泵站引渠及前池水體的泥沙對流速的相位漂移ψ和泥沙相位的殘留α；5)計算泵站引渠及前池水體的無量綱的侵蝕深度表示的水體挾沙率Δ/D。

技術領域

本發明涉及一種泵站引渠及前池水體挾沙率的確定方法，屬于水利工程泵站領域。

背景技術

在泵站引渠及前池的非恒定流動中，水體挾沙率是動態變化的。如圖1所示，泥沙體積濃度S(y)用虛線表示，其隨流動速度U變化，其中y是垂向坐標，y＝0處為初始床面，下標m代表最大值，Δ是侵蝕深度即飽和含沙層表面至初始床面的距離，S_m和Δ的乘積是參與運動的泥沙體積總量即水體挾沙率。

精準知曉包含相位差作用的水體挾沙率的大小，是確定非恒定流動條件下濃度斷面和流速斷面、計算水體挾沙率和輸沙率的重要基礎，也是判斷泵站水泵磨蝕情況的依據。現工程中廣泛使用的水體挾沙率都是基于恒定流動的理論推導出來的，不包含相位差作用，不能反應水體挾砂率在非恒定流動過程中相對于水動力條件所需要的時間響應，這樣會無法體現泥沙運動相對流速的相位漂移和運動的泥沙總量在流動速度減少后的相位殘留，還會導致對水體挾沙率均值的低估。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種通過確定相位差參數來獲得非恒定流動條件下泵站引渠及前池水體挾沙率的確定方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種泵站引渠及前池水體挾沙率的確定方法，包括以下步驟：

1)確定泵站引渠及前池水體的流速隨時間變化的關系式U(t)；

2)計算泵站引渠及前池水體的最大謝爾茲數Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；

3)計算泵站引渠及前池水體的泥沙沉降速度w和泥沙在輸沙層內的沉降時間與流動周期的比值Ψ；

4)計算泵站引渠及前池水體的泥沙對流速的相位漂移ψ和泥沙相位的殘留α；

5)計算泵站引渠及前池水體的無量綱的侵蝕深度表示的水體挾沙率Δ/D。

所述步驟1)中，利用2階Stokes波動理論得出泵站引渠及前池水體的流速隨時間變化的關系式。

所述步驟2)中，利用下述的式(1)～(3)計算最大謝爾茲數Θ_m、摩擦因子f和所述粗糙高度k_N的過程如下：

式中，U是泵站引渠及前池水體流速，下標m代表最大值；D是泥沙粒徑；T是流動周期；Θ是謝爾茲數，下標m代表最大值；f是摩擦因子；s是泥沙與水密度的比值；g是重力加速度；k_N是動床面粗糙高度。

在具體求解時，先假定最大謝爾茲數Θ_m<1，由式(3)得到粗糙高度k_N＝5D，代入式(2)將得到的摩擦因子f的數值代入式(1)得到最大謝爾茲數Θ_m，將其與1進行比較，若得到的最大謝爾茲數Θ_m大于1則初始假設不合理。

然后按最大謝爾茲數Θ_m大于1的假設來進行計算，由式(3)得到的粗糙高度k_N＝5Θ_mD代入式(2)，并聯合式(1)，得到式(4)