渠道或天然河道各斷面的流速(或流量)和水深(或水位)隨時間(t)及地點(S)而變化的水流運動。亦稱明渠非恆定流。河道中洪水波傳播、水電站日調節下遊河道流態、河口潮汐流動、堤壩潰決時的水流運動等皆為明渠不恆定流。
基本介紹
- 中文名：明渠不恆定流
- 外文名：unsteady flow in open channel
- 學科：電力科學
- 拼音：mingqu buhengdingliu
釋義,一維不恆定流,平面二維不恆定流,
釋義
渠道或天然河道各斷面的流速(或流量)和水深(或水位)隨時間(t)及地點(S)而變化的水流運動。亦稱明渠非恆定流。河道中洪水波傳播、水電站日調節下遊河道流態、河口潮汐流動、堤壩潰決時的水流運動等皆為明渠不恆定流。
明渠不恆定流屬於水動力學中的波動，其特點是波形平緩，L/h>20 (L為波長，h為水深)，水深相對較淺，水的質點有平面移動，稱為淺水移動長波。當波動變化過程緩慢、瞬時水面坡度很小、流線近於平行的直線時為連續波，其水力因素(水深、流量、流速等)是時間和地點的連續函式，稱為漸變不恆定流，如河道洪水波及水電站日調節不恆定流。當波動變化過程迅速、斷面上的水深和流速急劇變化、局部瞬時水面線坡度很陡甚至形成階梯狀時，其水力因素不是時間和地點的連續函式，則為不連續波或立波，稱為急變不恆定流，如潰壩坡或水體突然泄放。
一維不恆定流
明渠不恆定流研究始於18世紀。1788年J.L.拉格朗日(J.L.Lagrange)創立淺水波理論。1871年法國D.聖維南(De Saint Venant)根據質量守恆與動量守恆原理提出一維漸變不恆定流方程組。
明渠不恆定流的研究方法有水力模型法和數值計算法等。目前解決一維不恆定流問題多用數值計算法。聖維南方程組為一階擬線性雙曲型偏微分方程，難於直接求解。工程規劃設計中一般用特徵差分或直接差分等數值計算法求解。直接差分法又分為顯式差分法與隱式差分法兩類。顯式差分法假定時段末瞬流態的沿程變率用時段初瞬值代替，流態時間變率用流段中斷面數值表示，方程中非偏導數因子以時段初瞬流段中斷面數值代入，因此可根據前一瞬時各點的已知量逐點分別求解下一瞬時的未知量，計算較簡便。當時間步長Δt與距離步長ΔS足夠小時，這種假定引起的誤差是很小的。隱式差分法不作上述假定，而是聯解n個差分方程，同時求出下一瞬時各點的未知量，計算工作量較大，但隱式差分法的穩定性比顯式差分法好，近年來套用範圍較廣。當水力因素隨時間和地點變化比較緩慢時，不恆定流問題(如洪水傳播)可採用忽略聖維南方程組的慣性項與流速水頭項的簡化法，如瞬態法或簡化差分法。
上列方程組的求解除需要縱橫斷面及糙率資料外，還需給定起始條件和邊界條件。起始條件為計算初瞬河道沿程的水深(或水位)和流速(或流量)狀態的數據。邊界條件為河段兩端斷面的流量過程、水位過程或水位流量關係數值。
平面二維不恆定流
對河口潮汐水流及平原洪泛區洪水演進，除需了解沿主流方向的流速及水深外，尚需研究橫向水流擴散、回流及兩岸淹沒範圍和水深等，因此需按二維漸變不恆定流方程組用有限元等數值計算法求解。
二維不恆定流方程組中的動量方程的離散一般採用高解析度和高穩定性的特徵分裂格式，用有限元等數值計算求解。
二維不恆定流計算所需資料，除與一維計算相同者外，還需知道其初邊值條件的橫向分布。水工模型試驗也是解決二維不恆定流的有效方法。
三維不恆定流計算也在研究探索中，工程實踐中尚未套用。
