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申请/专利权人：南昌工程学院

摘要：本发明公开了一种小Fr数挑射流水舌上下缘挑距预测方法，包括先对带有三角形鼻坎的泄洪洞进行缩尺模型试验采集水舌上下缘挑距、出射角、出射流速和佛氏数Fr等关键参数；然后进行挑距影响因素敏感度分析，确定水舌挑距的主要影响因素；再对相对出射流速进行计算，通过量纲分析得到上下缘出射流速表达式，确定相对出射流速的主要影响因素；最后借助数据处理软件Excel对试验数据进行分析，得到相对流速的数学表达式；从而确定水舌上下缘挑距的数学表达式，并进行误差分析确定其预测精度。本发明能够在Fr数较小时准确地预测挑射流水舌上下缘挑距，为高坝泄水建筑物的安全稳定运行提供保障。

主权项：1.一种小Fr数挑射流水舌上下缘挑距预测方法，对一种出口处存在三角形鼻坎的泄洪渠道，在小Fr数时进行挑射流水舌的上下缘挑距预测，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据水电站工程泄洪洞进行相似模型试验，按照重力相似准则进行模型制作，试验中定义vo为来流平均流速，vU、vL分别为出射点上缘出射流速和下缘出射流速，ho为坎上水深，相应可得来流佛氏数Fro＝vogho12，其中g为重力加速度，w为三角形鼻坎坎高；α为三角形鼻坎坎角，αU和αL分别为上下缘出射角，xU和xL分别为挑流内外缘挑距，EH为来流底板和渠底的垂直落差；三角形鼻坎结构决定参数为坎角α和坎高w，试验中分别选取i个坎高wi和j个坎角αj组成模型方案Mij，其中坎高wi和坎角αj分别以定值△w和△α进行增大或减小，针对每种模型方法设计n个上游水位Ho进行试验并采集水舌上下缘挑距、出射角、出射流速和佛氏数Fr参数；步骤2：建立挑距与出射流速和出射角2个参数之间的函数关系xk＝fv,αk，式中v为出射流速，xk为水舌挑距，αk为出射角，下标k为U时表示上缘出射角，下标k为L时表示下缘出射角，通过敏感性分析确定出射流速v为挑距最大的影响因素；步骤3：进行相对出射流速的计算，根据挑流水舌的上缘挑距理论公式式中LU为挑流鼻坎末端距离下游河床的水舌上缘水平挑距；通过步骤2可以得到忽略实际出射角对挑距的影响，近似取为鼻坎坎角；SU为挑流水舌上缘与河床的垂直落差；vU为上缘出射流速，通过移项、开平方得到进一步化简得到上缘出射流速表达式为得到上缘的相对流速分别可以表达为：同样下缘的相对流速分别可以表达为：式中对于下缘相对流速，挑流鼻坎出口与河床的垂直落差为SL＝EH+w；对于上缘相对流速，挑流鼻坎出口与河床的垂直落差为SU＝EH+w+ho，ho为坎上水深；步骤4：根据步骤2确定的挑距最大影响因素出射流速v进行量纲分析，依据理论挑距公式：得到挑流上下缘出射角流速表达式为vU,vL＝fvo,ho,Ho,w,α,αU,αL,cf，式中vo为来流平均流速，ho为来流水深，Ho为上游水位，w为坎高，α为坎角，cf为空气阻力系数，S为挑流鼻坎出口与河床的垂直落差，应用量纲理论得到上下缘出射流速的无量纲表达式vUvo,vLvo＝fHoho,who,α,αU,αL,cf；步骤5：对上下缘出射流速无量纲表达式进行简化，根据步骤4得到的上下缘出射流速的无量纲表达式vUvo,vLvo＝fHoho,who,α,αU,αL,cf，通过Q＝Bhovo，对Hoho进行变换可以得到式中m为常数流量系数，Ho为堰上水头，B为溢流宽度，简写为：Hoho＝f1Fro；上下缘出射角受来流Fro数和相对坎高who的影响，则αU,αL＝f2Fro,who,α；空气阻力系数cf与起挑弗劳德数Fro和相对水深who有关，则cf＝f3Fro,who；通过无量纲化，上下缘相对出射流速可以简化为：vUvo,vLvo＝fFro,who,α；步骤6：根据步骤5得到的下缘相对出射流速简化表达式vLvo＝fFro,who,α，确定who,α和Fro是下缘相对射流速的3个最主要的影响因素，拟定vLvo和who，α和Fro的关系式为AL、BL、CL、aL、bL、cL利用步骤1中试验测得的数据通过Excel进行拟合得到，再结合步骤3得到下缘挑距表达式得到将who，α，Fro，SL，g分别代入即可求关于水舌下缘挑距xL的一元二次方程，根据实际取值范围进行取舍；步骤7：对步骤6得到的下缘相对出射流速进行误差分析，定义三角形鼻坎挑距的误差为ErrL＝|xLexp-xLcal|·100％xLexp，其中xL为三角形鼻坎挑流的下缘挑距，下标cal为挑距的计算值，exp为挑距的实验值，通过下缘挑距的计算值和实验值对比，得到步骤5中下缘挑距预测的平均误差为ErrLA，对步骤6计算得到的xL进行修正得到预测的最终下缘挑距为1-ErrLA×xL步骤8：根据步骤5得到的上缘相对出射流速简化表达式vUvo＝fFro,who,α，确定who，α和Fro是上缘相对射流速的3个最主要的影响因素，拟定vUvo和who，α和Fro的关系式为得到上缘相对流速的表达式为AU、BU、CU、aU、bU、cU利用步骤1中试验测得的数据通过Excel进行拟合得到，再结合步骤3得到上缘挑距表达式得到将who，α，Fro，SU，g分别代入即可求关于水舌上缘挑距xU的一元二次方程，根据实际取值范围进行取舍；步骤9：对步骤8得到的上缘相对出射流速进行误差分析，定义三角形鼻坎挑距的误差为ErrU＝|xUexp-xUcal|·100％xUexp，其中xU为三角形鼻坎挑流的上缘挑距，下标cal为挑距的计算值，exp为挑距的实验值，通过上缘挑距的计算值和实验值对比，得到步骤8中上缘挑距预测的平均误差为ErrUA，对步骤6计算得到的xU进行修正得到预测的最终下缘挑距为1+ErrUA×xU。

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