[发明专利]一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法和装置

权利要求书

1.一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，包括：

获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；

基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径和泥沙与水密度的比值，得到最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；

基于最大谢尔兹数Θ_m，获取动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前β；

以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，确定受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，进而得到含沙动床面流速分布；

其中，获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速，具体包括：

测得往复流动的所述外边界层流速，将所述外边界层流速以级数展开，得到在流动周期内的外边界层流速U(t)：

式中，t为时间；k代表谐波的阶；N是谐波的阶数；W_k是k阶谐波的振幅；ω是谐波的频率，取值2π/T，T为流动周期；φ_k是k阶谐波的迟角；t₀是使U(0)＝0的参数；

其中，基于最大谢尔兹数Θ_m，获取动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前β，具体包括：

所述β在Θ_m小于临界谢尔兹数时取值1，Θ_m大于1时取值0.32，其余情况根据Θ_m距1和临界谢尔兹数的距离在[0.32,1]线性插值；

其中，进行含沙动床面的紊动边界层分析，具体包括：

获取含沙动床面受水流侵蚀的深度Δ和含沙动床面的往复流边界层厚度δ_B；其中Δ和δ_B满足：

式中，Θ为谢尔兹数；Θ_cr是临界谢尔兹数；下标B代表边界层；下标m代表最大值；w是泥沙沉降速度；U_m是外边界层最大流速；α为泥沙相位的残留；ψ为相位漂移；D为泥沙粒径；

其中，所述含沙动床面流速分布为：

式中，下标B代表边界层；y是沿水深的垂向坐标，y＝0位于未受水流侵蚀的初始含沙床面；Δ是含沙动床面受水流侵蚀的深度，Δ落后于Θ一个相位ψ；δ_B为含沙动床面的往复流边界层厚度；y的定义域是y≥-Δ；y＝-Δ即流速分布基准面位置。

2.根据权利要求1所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，获取泵站引渠及前池水体的最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，具体包括：

测得泥沙与水密度的比值s、泥沙粒径D，得到往复流动含沙动床面摩擦因子f，并基于外边界层流速U得到谢尔兹数Θ(t)；

基于泥沙粒径D和水的运动粘性系数v得到泥沙沉降速度w。

3.根据权利要求2所述的泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定方法，其特征在于，获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，具体包括：

基于所述外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径、最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，得到泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值Ψ；

基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙相位残留α；

基于泥沙在输沙层内沉降时间与流动周期的比值得到泥沙运动对流速的相位漂移ψ。

4.一种泵站引渠及前池含沙动床面流速分布确定装置，其特征在于，包括：

第一模块，用于获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速、流动周期，及泥沙粒径和泥沙与水密度的比值；

其中，获取泵站引渠及前池水体的外边界层流速，具体包括：

测得往复流动的所述外边界层流速，将所述外边界层流速以级数展开，得到在流动周期内的外边界层流速U(t)：

式中，t为时间；k代表谐波的阶；N是谐波的阶数；W_k是k阶谐波的振幅；ω是谐波的频率，取值2π/T，T为流动周期；φ_k是k阶谐波的迟角；t₀是使U(0)＝0的参数；

第二模块，用于基于外边界层流速的最大值、流动周期、泥沙粒径，获取最大谢尔兹数和泥沙沉降速度，并获取含沙动床面流速断面的相位差和相位超前；

其中，基于最大谢尔兹数Θ_m，获取动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前β，具体包括：

所述β在Θ_m小于临界谢尔兹数时取值1，Θ_m大于1时取值0.32，其余情况根据Θ_m距1和临界谢尔兹数的距离在[0.32,1]线性插值；第三模块，用于以所述外边界层流速为边界条件，基于含沙动床面流速断面的相位差和相位超前，进行含沙动床面的紊动边界层分析，得到受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，并得到含沙动床面流速分布；

其中，进行含沙动床面的紊动边界层分析，具体包括：

获取含沙动床面受水流侵蚀的深度Δ和含沙动床面的往复流边界层厚度δ_B；其中Δ和δ_B满足：

式中，Θ为谢尔兹数；Θ_cr是临界谢尔兹数；下标B代表边界层；下标m代表最大值；w是泥沙沉降速度；U_m是外边界层最大流速；α为泥沙相位的残留；ψ为相位漂移；D为泥沙粒径；

其中，所述含沙动床面流速分布为：

式中，下标B代表边界层；y是沿水深的垂向坐标，y＝0位于未受水流侵蚀的初始含沙床面；Δ是含沙动床面受水流侵蚀的深度，Δ落后于Θ一个相位ψ；δ_B为含沙动床面的往复流边界层厚度；y的定义域是y≥-Δ；y＝-Δ即流速分布基准面位置。