明满流耦合水动力模型在南水北调工程中的应用

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1、明满流耦合水动力模型在南水北调工程中的应用摘要：建立了适用于具有复杂内边界的、长距离调水明满流交替的一维非恒定流水力学系统，并基于明渠和管道连接的长距离输水工程，设计了既有明渠流又有压力流的耦合流动模型。为了精确模拟流动的水力特性，分析明满交替流对工程运行的安全性和稳定性带来复杂的影响，采用圣维南方程组和Preissmann窄缝法计算了有压管流和自由表面流以及这两种状态的过渡流等问题，并加入水库、泵站、分水口、暗涵及间堰等水工建筑物。利用该模型较好地解决了南水北调中线工程北京段遇到明满流耦合计算的问题。关键词：明满交替流；圣维南方程；Preissmann窄

2、缝法；非恒定流；南水北调工程中图分类号：TV68文献标志码：A文章编号：1672-1683(2015)03-0514-04Abstract:One-dimensionalunsteadyfree-surface-pressureflowhydrodynamicsystemisdevelopedwhichissuitableforthelong-distancewaterdiversionprojectwithcomplexinnerboundaries.Basedonthelong-distancewaterdiversionprojectwithopen

3、channelsandpipes,thecoupledflowsystemwithbothopenchannelflowandpressureflowisdesigned.Inordertosimulatethehydrauliccharacteristicsaccuratelyandanalyzetheeffectsoffree-surface-pressureflowonthestabilityandsafetyoftheproject,SaintVenantequationsandPreissmannslitmethodwereusedtocalcu

4、latethepressureflow,free—surfaceflow，andthetransitionflow,andreservoirs,pumpstations,diversions,culverts,sluices,andotherhydraulicstructureswereaddedintothesystem.Thesystemcansolvetheproblemscausedbythefree-surface-pressureflowinBeijingsectionoftheSouth-to-NorthWaterDiversionProje

5、ct.Keywords：free-surface-pressureflow；SaintVenantequations；Preissmannslitmethod；unsteadyflow；South-to-NorthWaterDiversionProject在长距离调水系统尤其是管网耦合渠网的输水方式中，水力操作引起的水力过渡过程非常复杂，流量调节和事故检修工况中均可能出现明满交替流现象，其进行数值模拟一直是长距离输水系统管道联合渠道输水模拟中的一个重点和难点。随着南水北调等其他长距离调水工程的修建，明满交替流的研究也越发重要。传统的明满交替流主要解法有刚性

6、水体法［1］、激波拟合法［2］和窄缝法［3］，其中刚性水体法的核心是假设水体是刚性不可压缩的均匀非恒定流，气泡中的气体可以压缩；激波拟合法将有压流与明渠流分开计算，然后计算分界面的速度和位置，从而将两者联系起来；窄缝法是假设在管道的顶部开一个窄缝，这样满流和明流就都可以都采用圣维南方程组求解［4］。三种方法中窄缝法在实际工程中应用较广泛，不过其计算很难稳定，关键在于选择适当的计算格式［5］。通过比较多种格式的计算稳定性，发现Pressimann隐式差分方法最优，因为它计算简单，并且能较好地吻合原型观测结果［6-7］。跨流域的长距离调水系统，除了考虑明满交替

7、流之外，还要考虑水库、闸堰、倒虹吸、暗涵、分水口等多种类型的内边界条件，因为它们可以调配水量、满足沿程地形要求、控制水流过程［8-10］。本文在利用窄缝法模拟明满流交替非恒定流时，加入上述水工建筑物，建立适用于具有复杂内边界的长距离调水明满流交替的一维非恒定流水力学系统，通过对南水北调中线工程北京段一期工程不同流量下全线非恒定流过程的计算模拟，验证系统的合理性，并进一步模拟极端条件下的检修工况。式中：H为压力水头；z为水位；V为断面平均流速；c为波速；A为过水断面面积；B为水面宽；x为横坐标；t为时间；为管道倾角；J为摩阻水头损失；g为重力加速度通过比较式

8、（1）-式（4）可以看出，如果将无压明渠流中的水位z看作是有压管流