基于计算机VB编程解决明渠相关水力计算问题

高 雷

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州，450001）

基于计算机VB编程解决明渠相关水力计算问题

高 雷

（郑州大学水利与环境学院，河南郑州，450001）

在水利工程设计中,经常会遇到一些明渠的水力计算,设计人员普遍采用Excel软件建立水力计算模块，借助假设分析中的单变量求解法,实现其计算目标,但是求解操作相当麻烦，计算方法不快捷，本文介绍了利用VB开发可视化计算程序,快速实现明渠不同条件下的水力计算。

VB；明渠；临界水深；水面曲线

0 前言

水力学分析问题常采用的是一元流理论，然而实际工程问题大多属于二元流甚至三元流，要精确地分析这些水力学复杂问题，必须从其控制微分方程出发，水力学相关软件可以简化这些计算，而纵观国际上的大型水力学计算软件,如Delft3D、SMS、MIKE等,其计算程序均使用 FORTRAN 编写，对设计或施工人员专业知识水平要求较高，而VB编程作为一种解决水力相关计算问题的工具，是借助于计算机数值模拟的方法来实现的，它不仅把水力计算繁琐或重复的过程程序化，大大节省了工作时间，而且VB编程简单、面向大众化，可以根据实际水力条件来设计不同的计算程序。

1 明渠恒定非均匀流临界水深

1.1 临界水深计算理论

明渠中由于渠道断面的几何形状或尺寸、粗糙度或底坡沿程改变，或在明渠中修建人工建筑物等都会改变水流的均匀状态，造成水深和流速等水利要素沿程改变，从而产生非均匀流动，明渠恒定非均匀流特点是明渠的底坡线、水面线、总水头线彼此互不平行，故水力坡度J、水面坡度JZ、渠底坡度i互不相等，即J≠JZ≠i。在渠道的流量、断面形状和尺寸均确定的情况下，相应于断面比能最小值Esmin，即断面比能具有极小值=0的水深称为临界水深，以hK表示。

1.2 迭代法求解临界水深

例1:假设某一梯形断面渠道,设计流量为Q,边坡系数为m，明渠底宽为b,允许误差为e，求梯形断面明渠恒定非均匀流临界水深hK。

VB编程的程序代码（迭代法）：

建立迭代法函数:Public Sub diedaifa() A =(b+m

*hk1)* hk1d=b+2 * m * hk1If=1-(q^2)*d/9.8/(A^3) F0=-(q^2)/9.8/(A^3)*(2*m-3*(d^2)/A) hk2=hk1-f/F0

建立循环关系：If Abs(hk2-hk1)<=e Then hk=hk2Else hk1=hk2Call diedaifa End If Print"hk"End Sub

以上即为迭代法计算临界水深的程序，hK1为水深计算初值，当时，满足精度要求，即可输出hK值，通过计算机VB编程减少了人工迭代法计算量，节省了计算时间，并且可以准确输出计算结果。

2 棱柱体明渠水面曲线

2.1 水面曲线计算理论

当棱柱体明渠中通过一定流量时，由于底坡、上下游进出流边界条件差异及渠道内建筑物所形成的控制水深不同，明渠中的水流可以形成12种不同形式的水面曲线，通常可以通过经验对这些水面曲线进行定性判断，但在实际水利工程中，还需定量知道非均匀流断面的水力要素变化，如水深、断面平均流速等，即要对水面曲线进行具体计算和绘制。

2.2 二分法计算棱柱体明渠水面曲线

例2：假设某一棱柱体明渠,设计流量为Q=45m3/s,边坡系数为m=1.5，明渠底宽为b=10m,粗糙系数n=0.022，底坡i=0.0009，明渠正常水深h0=1.96m，允许误差为e=0.0001，渠道末端水深h=3.4m，计算该渠道的水面曲线。

VB编程的程序代码，二分法计算不同段水力要素：

Fori=1 To9 Step1 A0(i)=(b+m*h(i))*h(i)

X(i)=b+2*h(i)*Sqr(1+m*m) J(i)=(v(i)*n/R0(i)^(2 / 3))^2 Es(i)=h(i)+Q^2/(2*g*A0(i)* A0(i))

将VB编程的计算结果输出，如表一所示，根据表一计算出的各断面水力要素可以在Excel中画出想要的棱柱体水面曲线图（以末端水头为原点），如图一所示，水流由右侧向左侧流动，棱柱体明渠水面曲线为壅水曲线，水深沿程增加，流速逐渐放缓。

表一 各断面水力要素计算结果

图一 棱柱体水面曲线

3 总结

水力学计算中经常会遇到一些繁琐的计算方法，如二分法、迭代法、公式计算法等，这些方法人工计算量大，费时费力，VB开发可视化计算程序恰好巧妙解决了这一问题，把复杂、重复性的工作交给电脑。运用VB编程解决水利工程的实际问题是计算水力学的一部分，随着计算机VB编程软件的发展，计算水力学将进一步取代经典水力学中一些近似计算法和图解法，例如管网和渠系的过水或输沙（排污）能力的计算、有水轮机负荷改变时水力震荡系统的稳定性计算研究等等。

[1] 吕宏兴,裴国霞，杨玲霞·水力学[M].北京:中国农业出版社,2011.6[2] 冯民权，赵明登，郑邦民·河渠非恒定流及其物质输运的数值模拟[M].北京:科学出版社，2012.2

[3] 李占松，王玲玲，朱士江.二维浅水流动数学模型的多解性评价[J].河 南 科 学，2009,27（1）:64-66

[4] 吴丹凤，丁全林，戴会超，戴凌全.计算水力学通用后处理模块设计与快速开发[J].水电能源科学，2013,31（6）:195-197

高雷（1991.07- ），男，山东潍坊人，郑州大学水利与环境学院 2011级本科生，水利水电工程专业

Based on computer VB programming to solve the hydraulic calculation problems related to water conservancy project

Gao Lei
（College of Water Conservancy & Environmental Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，450001，Henan，China）

In the design of water conservancy projects,often encounter some hydraulic calculation of flow in open channel,designers generally Excel software is adopted to establish the hydraulic calculation module, with the help of assumption in the analysis of single variable method,achieving the calculation,but it's quite a trouble,solve the operation calculation method is not quick,visual calculation program,this paper introduces the use of VB rapidly open channel under the condition of different hydraulic calculation.

VB；Open channel；The critical depth of water；The surface curve