湿周计算器

引言

湿周是水力工程和流体力学中的关键参数。它表示开放式水道或部分填充管道中与流体接触的横截面边界长度。该计算器允许您确定各种水道形状（包括梯形、矩形/正方形和圆形管道）的湿周，适用于完全填充和部分填充的情况。

使用方法

1. 选择水道形状（梯形、矩形/正方形或圆形管道）。
2. 输入所需尺寸：
   • 对于梯形：底宽（b）、水深（y）和侧坡（z）
   • 对于矩形/正方形：宽度（b）和水深（y）
   • 对于圆形管道：直径（D）和水深（y）
3. 点击"计算"按钮以获取湿周。
4. 结果将以米为单位显示。

注意：对于圆形管道，如果水深等于或大于直径，则管道被视为完全填充。

输入验证

计算器对用户输入执行以下检查：

• 所有尺寸必须为正数。
• 对于圆形管道，水深不能超过管道直径。
• 梯形水道的侧坡必须为非负数。

如果检测到无效输入，将显示错误消息，并且在更正之前不会进行计算。

公式

湿周（P）的计算对于每种形状都不同：

1. 梯形水道： $P = b + 2y\sqrt{1 + z^2}$ 其中：b = 底宽，y = 水深，z = 侧坡

2. 矩形/正方形水道： $P = b + 2y$ 其中：b = 宽度，y = 水深

3. 圆形管道： 对于部分填充的管道： $P = D \cdot \arccos(\frac{D - 2y}{D})$ 其中：D = 直径，y = 水深

   对于完全填充的管道： $P = \pi D$

计算

计算器根据用户的输入使用这些公式计算湿周。以下是每种形状的逐步说明：

1. 梯形水道： a. 计算每个斜边的长度：$s = y\sqrt{1 + z^2}$ b. 加上底宽和两倍的侧长：$P = b + 2s$

2. 矩形/正方形水道： a. 加上底宽和两倍的水深：$P = b + 2y$

3. 圆形管道： a. 通过比较y和D来检查管道是完全还是部分填充 b. 如果完全填充（y ≥ D），计算 $P = \pi D$ c. 如果部分填充（y < D），计算 $P = D \cdot \arccos(\frac{D - 2y}{D})$

计算器使用双精度浮点算术执行这些计算，以确保准确性。

单位和精度

• 所有输入尺寸应以米（m）为单位。
• 使用双精度浮点算术执行计算。
• 结果四舍五入到小数点后两位以提高可读性，但内部计算保持完全精度。

应用场景

湿周计算器在水力工程和流体力学中有各种应用：

1. 灌溉系统设计：通过优化水流和最大限度地减少水损失，帮助设计高效的灌溉水道。

2. 雨水管理：通过准确计算流量和速度，帮助设计排水系统和防洪设施。

3. 污水处理：用于设计下水道和处理厂水道，以确保适当的流速并防止沉积。

4. 河流工程：通过提供水力建模的关键数据，帮助分析河流流量特征并设计防洪措施。

5. 水力发电项目：通过最大化能源效率和最小化环境影响，帮助优化水道设计以进行水力发电。

替代方案

虽然湿周是水力计算的基本参数，但工程师可能还会考虑其他相关测量：

1. 水力半径：定义为横截面积与湿周的比率，常用于曼宁公式中的开放式水道流动。

2. 水力直径：用于非圆形管道和水道，定义为水力半径的四倍。

3. 流动面积：流体流动的横截面积，对计算排放率至关重要。

4. 顶部宽度：开放式水道中水面的宽度，对计算表面张力效应和蒸发率很重要。

历史

湿周概念几个世纪以来一直是水力工程的重要组成部分。它在18和19世纪随着开放式水道流动的经验公式的发展而得到prominence，如Chézy公式（1769年）和曼宁公式（1889年）。这些公式将湿周作为计算流动特征的关键参数。

在工业革命期间，准确确定湿周的能力对于设计高效的水传输系统变得至关重要。随着城市地区的扩张和对复杂水管理系统的需求增加，工程师越来越依赖湿周计算来设计和优化水道、管道和其他水力结构。

在20世纪，流体力学理论和实验技术的进步，对湿周与流动行为之间关系的理解更加深入。这些知识已被纳入现代计算流体动力学（CFD）模型，从而能够更准确地预测复杂的流动场景。

如今，湿周仍然是水力工程中的基本概念，在水资源项目、城市排水系统和环境流动研究的设计和分析中发挥着关键作用。

示例

以下是用于计算不同形状湿周的代码示例：

1' Excel VBA 梯形水道湿周函数
2Function TrapezoidWettedPerimeter(b As Double, y As Double, z As Double) As Double
3    TrapezoidWettedPerimeter = b + 2 * y * Sqr(1 + z ^ 2)
4End Function
5' 使用方法：
6' =TrapezoidWettedPerimeter(5, 2, 1.5)
7

1import math
2
3def circular_pipe_wetted_perimeter(D, y):
4    if y >= D:
5        return math.pi * D
6    else:
7        return D * math.acos((D - 2*y) / D)
8
9## 使用示例：
10diameter = 1.0  # 米
11water_depth = 0.6  # 米
12wetted_perimeter = circular_pipe_wetted_perimeter(diameter, water_depth)
13print(f"湿周：{wetted_perimeter:.2f} 米")
14

1function rectangleWettedPerimeter(width, depth) {
2  return width + 2 * depth;
3}
4
5// 使用示例：
6const channelWidth = 3; // 米
7const waterDepth = 1.5; // 米
8const wettedPerimeter = rectangleWettedPerimeter(channelWidth, waterDepth);
9console.log(`湿周：${wettedPerimeter.toFixed(2)} 米`);
10

1public class WettedPerimeterCalculator {
2    public static double trapezoidWettedPerimeter(double b, double y, double z) {
3        return b + 2 * y * Math.sqrt(1 + Math.pow(z, 2));
4    }
5
6    public static void main(String[] args) {
7        double bottomWidth = 5.0; // 米
8        double waterDepth = 2.0; // 米
9        double sideSlope = 1.5; // 水平：垂直
10
11        double wettedPerimeter = trapezoidWettedPerimeter(bottomWidth, waterDepth, sideSlope);
12        System.out.printf("湿周：%.2f 米%n", wettedPerimeter);
13    }
14}
15

这些示例展示了如何使用各种编程语言计算不同水道形状的湿周。您可以根据具体需求调整这些函数，或将其集成到更大的水力分析系统中。

数值示例

1. 梯形水道：

   • 底宽（b）= 5 m
   • 水深（y）= 2 m
   • 侧坡（z）= 1.5
   • 湿周 = 11.32 m

2. 矩形水道：

   • 宽度（b）= 3 m
   • 水深（y）= 1.5 m
   • 湿周 = 6 m

3. 圆形管道（部分填充）：

   • 直径（D）= 1 m
   • 水深（y）= 0.6 m
   • 湿周 = 1.85 m

4. 圆形管道（完全填充）：

   • 直径（D）= 1 m
   • 湿周 = 3.14 m

参考文献

1. "湿周"。维基百科，维基媒体基金会，https://zh.wikipedia.org/wiki/湿周。访问时间：2024年8月2日。
2. "曼宁公式"。维基百科，维基媒体基金会，https://zh.wikipedia.org/wiki/曼宁公式。访问时间：2024年8月2日。