[发明专利]一种泵站引渠及前池水体泥沙参考浓度的确定方法

说明书

本发明涉及一种泵站引渠及前池水体泥沙参考浓度的确定方法，包括以下步骤：1)计算得出泵站引渠及前池水体的流速随时间变化的关系式；2)计算泵站引渠及前池水体的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；3)计算泵站引渠及前池水体的泥沙沉降速度和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值Ψ；4)计算泵站引渠及前池水体的泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α；5)计算泵站引渠及前池水体的泥沙体积分数参考浓度。

技术领域

本发明涉及一种泵站引渠及前池水体泥沙参考浓度的确定方法，属于水利工程泵站领域。

背景技术

在泥沙设计的数值模拟中，很关键的一步是给出泥沙浓度方程的底部边界条件，一般都在距离壁面2倍泥沙粒径高度的位置提出参考浓度C。边界条件的精度决定了数值模拟的结果精度。

精准知晓包含相位差作用和考虑泥沙体积守恒的泥沙参考浓度的大小，是准确模拟非恒定流动条件下水体挟沙率和输沙率、判断水泵机组磨蚀的重要基础。现有工程中广泛使用的参考浓度都是基于恒定流动的理论推导出来的，不包含相位差作用即泥沙运动相对于水动力条件所需要的时间响应，也未能考虑泥沙体积的守恒。这导致出现的问题是：无法体现泥沙运动相对流速的相位漂移和运动的泥沙总量在流动速度减少后的相位残留，给计算带来极大的误差；泥沙浓度随着流动条件的增大也难以达到饱和状态，参考浓度随流动强度太大从而失效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在非恒定流动条件下确定相关相位差参数和泥沙体积守恒定律来获得泵站引渠及前池水体泥沙参考浓度的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种泵站引渠及前池水体泥沙参考浓度的确定方法，包括以下步骤：

1)计算得出泵站引渠及前池水体的流速随时间变化的关系式U(t)；

2)计算泵站引渠及前池水体的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；

3)计算泵站引渠及前池水体的泥沙沉降速度和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值Ψ；

4)计算泵站引渠及前池水体的泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α；

5)计算泵站引渠及前池水体的泥沙体积分数参考浓度。

所述步骤1)中，这里采用2阶Stokes波动理论得出泵站引渠及前池水体的流速随时间变化的关系式。

所述步骤2)中，采用如下的式(1)～(3)计算泵站引渠及前池泥沙的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N，具体过程如下：

其中U是泵站引渠及前池水体的流速，下标m代表最大值；D是泥沙粒径；T是流动周期；Θ是谢尔兹数，下标m代表最大值；f是摩擦因子；s是泥沙与水密度的比值；所在地的重力加速度g；k_N是动床面粗糙高度；

先假定最大谢尔兹数Θ_m<1，由式(3)得到粗糙高度的值k_N，代入式(2)，得到摩擦因子的值f；摩擦因子的值代入式(1)得到的最大谢尔兹数的值Θ_m若大于1则假定不成立；

根据最大谢尔兹数Θ_m>1，由式(3)得到粗糙高度k_N＝5Θ_mD代入式(2)，并联合式(1)得到