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1、，高 雷（郑州大学水利与环境学院， 河南郑州， 450001）摘 要 ： 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。关键词 ： VB ； 明渠 ； 临界水深 ； 水面曲线Based on computer VB programming to solve the hydraul
2、iccalculation problems related to water conservancy projectGao Lei（College of Water Conservancy & Environmental Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou，450001， Henan，China）Abstract ： In the design of water conservancy projects,often encounter some hydraulic calculation of flow inopen channel,desi
3、gners 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 its quite a trouble,solve the operation calculation method is not quick,visual calculation program,this paper i
4、ntroduces the use of VB rapidly open channel under the condition of different hydraulic calculation. Keywords ： VB ； Open channel ； The critical depth of water ； The surface curve0 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
5、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
6、件 来设计不同 的计算程序。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 值称为临界水深， 以 hK 表示。=0 的 水 深基 本 方 程 ： （A K 为 梯 形明渠断面面积， BK 为水面宽度， Q 为断面流量， m 为边坡， hK 为临 界 水 深 ） 。 计 算 方 法 ： 求 hK 相 当 于 求 解 方 程 的 根， 可用 牛 顿 迭
7、代 法 计 算。 令 ， 则n+1 n n n， 迭 代 法 计 算 式 为 ： hK =hK -F(hK )/ （h K ） ， 按 上 式 计 算， 直到 （允许误差为止） 。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
8、 此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+m18： ： ，*hk1)* hk1 d=b+2 * m * hk1 If=1-(q2)*d/9.8/(A3) F0 Else h(i) = h(i + 1) GoTo aaa=-(q2)/9.8/(A3)*(2*m-3*(d2)/A) hk2=hk1-f
9、/F0建 立 循 环 关 系 ： If Abs(hk2-hk1)0 Then h(i - 1)=hLinShi192014.18 理论与算法， ， ， ， ， ，： ， ， ， ，：， ， ，： ， ， ， ， 则 的 最 短 路 径 为离，。， ， ， ， ， 距为 853.7014。 途 经 点 ： ， ， 故 的 最 短 时 间 路 径 为， 花 费 总 时 间， 拐 弯 半。径途 经 点秒， 总 距 离， 圆 弧 圆 心 ：， 。 圆 弧 圆 心 ： ， ， ， 。2 模型的评价本模型全面考虑了出发点到目标点的可行路径， 并选择出几条 可 能 的 最 短 路 径， 分 情 况 讨 论
10、并 计 算 出 各 条 路 径 的 距 离， 最 终 比 较 得 出 最 短 路 径， 结 果 精 确 度 较 高。 并 建 立 非 线 形 规 划 模 型 求 解出从出发点到目标点的最短时间， 简单易懂， 利用软件求解， 精 确 度 高 且 费 时 少。 但 是 当 障 碍 物 较 多 或 者 障 碍 物 形 状， 本 模 型 还 需进一步改进， 寻找更高效的方法。（其 中 为 最 短 路 径 中 依 次 遇 到 的 切点 依次遇到的圆弧圆心， 在之后的计算中同样表示。 ） 。1.1.3同 2.1.2。：可 能 的 最 短 路 径 有 4 条， 起 点 ， 终 点结 合 2.（1） 和 （2
11、） 中 的 方 法 , 可 求 得。 则 径 为 距 离 为 1053.1394。 途 经 点，的 最 短 路，参考文献， ， ， 1 机 器 人 行 走 问 题 , http:/ 谢 金 星， 薛 毅， 优 化 建 模 与 LINDO/LINGO 软 件 M， 北 京 ： 清 华大学出版社，2005.韩 中 庚， 数 学 建 模 方 法 及 其 应 用 M， 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社，2005.， 。 圆 弧 圆 心 ：。， ， ， 21.2 问题二要 在 速 度 已 知 的 情 况 下， 确 定 路 径 使 得3所 需 时 间 最短。 因 时 间 与 速 度 和 路 程 这
12、两 个 量 有 关， 经 过 2.1.1 的 讨 论 计 算， 公式 1： 在 的 最 短 距 离 路 径 为 ， 因 此 就 对 这 条路径进行讨论。已 知 直 线 行 走 的 最 大 速 度 为 个 单 位 / 秒， 而 拐 弯 圆 弧的 速 度 随 着 的 增 加 而 增 大， 但 始 终 小 于 。 故 路 径 的 选 择 应 尽可能使弧线行走的路程少。可 以 适 当 地 增 加 来 使 得 拐 弯 速 度 增 加， 进 而 使 总 时 间 减 少。 但 是 增 加 必 然 会 使 得 路 径 总 距 离 增 加， 故 需 要 寻 求 一 个 平 衡， 使 得 增 加 的 情 况 下，
13、 总 时 间 却 在 减 少。 为 此， 结 合 2.1.1 中 的 一些数据， 建立如下非线性规划模型 （如公式 1） ： s.t.其中 T 表示总时间 表示行走路径中的圆弧长度 和 分为 拐 弯别 表 示 拐 弯 之 前 和 之 后 的 直 线 行 走 距 离 为 拐 弯 半 径速度 和 分别表示圆弧的两个切点。利 用 LINGO 编 程 求 解 得 ： ， ，（上接 19 页）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 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，2009,2（1）:64-66 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， 2013,3（6）:195-1973 作者简介高 雷 （1991.07- ） ， 男， 山 东 潍 坊 人， 郑 州 大 学 水 利 与 环 境 学4院 2011 级本科生， 水利水电工程专业172014.18 理论与算法
