明渠特征水深计算方法研究

发布时间：2020-04-09 04:04

【摘要】：明渠特征水深是渠道工程分析设计、渠道运行管理、渠道消能防冲的重要水利参数,包括明渠正常水深、临界水深、共轭水深和收缩水深,其基本控制方程都为隐式超越方程,个别复杂的断面甚至为分段高次函数,理论上无法直接求解。传统的计算方法如试算法,迭代法和图表法等虽然能够得出结果,但是存在各种弊端,如试算法工作量大,计算繁琐,迭代法的优劣非常依赖迭代初值的选取,图表法需要用到专门的图表,使用极为不便,无法满足当今生产实践的需要。故对明渠特征水深提出一种计算简捷、通用性强、计算精度高的计算方法,不仅能够进一步完善水力学计算理论体系,而且对渠道工程实际问题的解决具有非常重要的意义。本文总结了近年来国内外学者利用回归分析、二元优化拟合、最小二乘拟合、遗传算法、神经网络等方法提出的对于明渠各种断面正常水深与临界水深的近似计算公式,经过误差分析与实例计算优选出一系列典型的计算方法。并在前人研究的基础上,分别对圆形断面、普通城门洞形断面和蛋形断面正常水深与临界水深基本控制方程进行数学变换,引入无量纲参数简化控制方程,运用极限原理建立计算模型,采用MATLAB软件编程实现改进的粒子群算法,通过一致寻优得到计算模型参数,分别建立了圆形断面、普通城门洞形断面和蛋形断面正常水深与临界水深的高精度计算表达式。误差分析及实例计算表明:在工程实用范围内,圆形断面正常水深公式的最大计算相对误差小于0.07%,临界水深公式的最大计算相对误差小于0.18%;城门洞形断面正常水深计算公式最大相对误差不超过0.04%,临界水深计算公式最大相对误差不超过0.06%;蛋形断面正常水深公式的最大计算相对误差为0.07%,临界水深公式的最大计算相对误差为0.17%。并额外对普通城门洞形与蛋形断面补充提出快捷形正常水深与临界水深计算公式,十套公式形式简捷,计算精度高,通用性强,并且通过优化拟合使普通城门洞形断面和蛋形断面正常水深与临界水深的求解皆避免了因几何形状变化造成的分区间计算,使计算更为简捷,可为渠道工程分析设计和运行管理提供有益的参考价值。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV133

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本文编号：2620267