南水北调中线总干渠河南段非恒定流数值模拟研究

摘要

南水北调中线工程是为解决我国水资源分布不均并严重影响北方地区经济发展问题而兴建的一项特大型跨流域，具有战略性意义的宏伟工程。明渠输水是开敞式输水系统，它的特点是具有较大的超设计输水能力；而由于地形或其它建筑物交叉等原因，在调水工程中的长距离输水系统中，需要采用明渠和有压管道相结合的形式；明渠中的非恒定流往往是由闸门或泵站的开启和关闭等人为因素导致；为满足实际输水的需要，需要进行水力过渡过程计算，确定由各种原因引起系统非恒定流时该系中的水位、流量、流速、水深等水力要素沿流程和随时间的变化规律，以设计出更加优化的长距离输水系统，因此水力过渡过程是长距离输水系统中普遍存在的现象。进行非恒定流数值模拟计算，分析过渡过程中的水流特性，对输水系统的设备的设计和运行都具有重要意义。 本论文主要以明渠非恒定流理论为基础，从南水北调中线工程总干渠河南段的具体工程情况出发，针对长距离输水系统中存在多处渡槽、暗渠、倒虹吸及连接段等复杂连接管道的明渠非恒定流数值模拟方法展开研究，并对惯性水头及糙率选取的影响进行深入的分析，最后通过对非常运用工况最高水位推算及控制关闸方式的改变，分析水面线的变化，定性分析最佳调度方式，以便对实际工程中调度运行方式进行指导，同时为了更好的服务于实际工程，对数值模拟的可视化进行研究，具体将围绕以下几个方面展开： 1．首先建立对简单棱柱形渠道在设计流量下启闭闸门时的非恒定流数学模型，并采用多种计算方法进行数值模拟，对计算结果进行比较，选用最佳计算方法。 2．对节制闸突然关闭使渠道中流速突然变化所引起的水位交替升降的水力现象进行全面理论分析。 3．从一维明渠及有压管非恒定流连续性方程和运动方程出发，详细论述管渠结合中各类边界条件的处理方法；并结合南水北调中线工程某段实例，对运行中上下游闸门同时关闭工况下下游闸前水深的变化情况进行模拟。 4．从能量角度出发，分析管渠结合一维非恒定流系统中倒虹吸进出口断面能量损失，对是否考虑有压管惯性水头的影响进行分析比较，并分析糙率的选取对水面线的敏感度。 5．通过控制关闸方式改变边界条件，分析水面线的变化，定性分析最佳调度方式，以便对实际工程中调度运行方式进行合理指导。 6．论文利用Matlab语言编制程序计算，用VisualBasic开发应用程序，对南水北调中线总干渠河南段所有节制闸在非常运行工况下的数值模拟结果进行可视化显示。最后显示以下四类渠段运行结果图： a)断面流量随时间变化图b)断面水深随时间变化图c)某一时刻各断面流量变化图d)某一时刻各断面水深变化图

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题的提出背景及研究意义

1.1.1南水北调工程简介

1.1.2南水北调中线工程总干渠河南段概况

1.1.3输水系统中非恒定流研究意义

1.2国内外明渠非恒定流研究概况

1.3本课题的主要研究内容及方法

1.3.1研究内容

1.3.2研究方法

1.4本章小结

第二章基本理论和计算方法

2.1明渠非恒定流基本理论及控制方程

2.1.1基本理论

2.1.2基本方程

2.2明渠非恒定流数值计算方法

2.2.1特征线法

2.2.2直接差分法

2.2.3有限元法

2.3输水渠道边界条件

2.4本章小结

第三章两节制闸同时关闭非常工况下的非恒定流分析

3.1节制闸突然关闭渠道中水力现象分析

3.1.1两节制闸中间为明渠段

3.1.2两节制闸中间为倒虹吸

3.1.3两节制闸之间为管渠结合系统

3.2有压管惯性水头影响分析

3.2.1是否考虑惯性水头倒虹吸连接段计算方法比较

3.2.2计算实例

3.2.3结论

3.3管渠结合数值模拟方法

3.3.1基本理论和公式

3.3.2各类边界条件处理

3.3.3计算实例

3.3.4小结

3.4糙率的选取及对水面线的敏感度分析

3.4.1糙率系数选取的影响因素

3.4.2选取不同糙率系数的计算结果对比分析

3.5本章小结

第四章非正常运行工况壅水及措施分析

4.1实例计算

4.1.1工程概况

4.1.2渠段设计相关参数

4.1.3研究方案

4.1.4计算方法

4.1.5计算结果

4.2结果分析

4.3非正常工况运行水位调控方案

4.4本章小结

第五章程序设计及结果可视化显示

5.1应用程序简介

5.2程序编制过程

5.3图形显示系统的内容

5.4本章小结

第六章结语

后记

参考文献

附表