明渠水流阻力的研究现状及进展

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1、明渠水流阻力的研宄现状及进展【摘要】：只有深入正确的认识水流的阻力规律，才能解决河流动力学和水力学屮的一些实际的问题。本文系统的分析了前人的研宂成果论述了明渠水流阻力的发展现状，总结了明渠水流阻力计算的进展，至从十九实际八十年代，谢xT-曼宁公式的提出，为研究明渠水流阻力的计算做出了巨大的贡献，后来学者通过实验对前人的结果进一步的研究，不断改进实验的装置和实验步骤，又为明渠水流阻力的计算提出了新的方法，0前，从近代湍流模拟理论及温差异重流中明渠弯道二次环流的特征出发m,明渠弯道中三维浮力湍流流动的数字模拟［2］,明渠弯道水流及污染物输移特性研究等

2、等1这些文章的发表，进一步的推动了对明渠水流的研究。【关键词】：曼宁公式；糙率；水头损失1引言人工渠道和天然渠道通称为明渠，由所学知识可以总结出，在恒定明渠均匀流屮，水力坡度、断面的平均流速、水力半径和糙率这四个因素可以构成恒定均匀流的断面平均流速公式，这个公式可描述水流的阻力损失或摩阻特性。水力摩阻或阻力损失问题是水力学及河流动力学中最为重要的课题之一l4_5j18世纪以来，众多学者对该课题做了大量研究。二十世纪五十年代之前的早期研究；侧重于定床条件下水流阻力公式的建立，而近期研究则侧重于浑水动床条件不的糙率研宄。2历史成果早在1768年，法

3、国工程师安托万•谢才(AntoineChezy)就在从伊沃特河引水到巴黎的供水工程设计工作屮，对明渠均匀流进行过研宄，并于1775年在Courpalet运河和Seine河上幵展的试验报告中，总结出断面平均流速与水力坡度的经验公式161:v=cV^7式中：V为平均流速；C为谢才系数；R为水力半径；J为能坡或比降。直到安托万•谢才死后大约一百年有人将他的早期报告在美国出版后，谢才公式才被知道。但那个时期流行的确定河流流速的公式实际上是另一位法国科学家杜博(PierreLouisGeorgesDuBuat)研究出来的。当时最大的问题是如何搞清流速和摩阻

4、力之间的函数关系。杜博在1779年出版的专著中，推断水流阻力应同流速的平方成正比，且阻力同水流方向的重力分力相等171。在得到和谢冰公式形式相同的等式之后，杜博通过多次试验检验，提出如下公式［81:v=15.61^-0.1)_Q3(^_Qi)VM"lgV//+1-6很明显，这个公式和谢才的公式假设一样，但是形式十分复杂，难以记忆，另一方面，这个公式在某些情况下并不适合。于是，它就逐渐的消失了。19世纪初，许多学者应用库隆(Coulomb)的阻力定律来计算水流和沟渠水流，认为库隆的阻力定律是一个无穷级数的一部分。其中艾特魏因(J.A.Eytelwc

5、in)1818年提出的公式可以简化为谢才公式的形式191,则有：V=50.97^7从而在1930-1950年，系数约为50n^/s,即是说，谢才系数O50nJ/s,但是后来经过大量的实验证明谢才系数并不是一个常系数。谢才系数实际上是与河道的粗糙程度有关，即糙率n,还与水力半径有关系。1845年魏斯巴赫(J.Weisbach)在其出版的《工程力学》中提出了适应于管流流动的达西一魏斯巴赫⑽(J.Weisbach)在其出版的《工程力学》屮提出了适应于管流流动的达西一魏斯巴赫公式，其后达西(H.Daixy)于1854年又通过试验对该式进行丫完善。由伯努利

6、能量方程推导出如下可适用于明渠的阻力公式［111:hf=乂R2g式中：hf为沿程水头损失；L为河段长度；R为水力半径；A为阻力系数。由于阻力系数X是无量纲的，使得达西一魏斯巴赫公式在理论上比谢才或后来的曼宁公式严谨。1865年，由亨利•菲利伯特•加斯帕德•达西(HenryPhilibertGrspardDarcy)与亨利•埃米尔•巴辛(HanriEmileBazin)共同编著的《水力学研究》一书中，他们通过实验资料分析，提出了达丙一巴辛(Darcy-Bazin)公式［12】：RJ=b]aH—R)由于上式中存在两个待定系数ei及b,限制了达西一巴辛

7、公式在实际中的应用。而艾米尔•奥斯卡•甘吉利特(EmileOscarGanguillct)与威廉•鲁道夫•库特(WilhelmRudolphKutter)认为，只耍确定一个反映河道特征的粗糙度系数C，上式就具有广泛应用的基础于是1869年他们将达西-巴辛公式换算到谢才公式形式后的综合C值参数，表示为h()1(国内学者通常把该参数C称为谢才系数):c=41.65+0.00281"+1.811/11,1+((41.65+0.00281/7)n,7V^)式中：n,相当于反映河道粗糙程度的系数。尽管上式形式十分复杂，但他们自己却认为，任何足以得到广泛应用

8、的公式，必然是非常复杂的。巴辛于1897年又提出只有一个变量系数的巴辛公式［nl(英制单位):C=157.6l+(1.81n2/V^)式