弧底梯形短喉道量水槽水力性能数值模拟

发布时间：2020-08-28 13:45

　　为更好地促进节约用水,实行计量灌溉,使农民的负担减轻,必须得加强灌溉用水管理,其中最基础性和关键性的技术是灌区量水。弧脚梯形与弧底梯形渠道过流能力大、输水能力强、泥沙淤积状况、结构和受力分布均优于传统的梯形渠道断面,但缺乏配套的量水设施,研发适宜的量水设施对促进灌区现代化管理具有实用价值。论文针对这两种渠道断面特点设计了弧底梯形短喉道量水槽,基于Fluent6.3大型流体力学计算软件,利用RNG k-?三维湍流模型和VOF(volume of fluid)追踪自由液面的方法,对量水槽的水力性能进行了三维流场数值模拟,得出弧底梯形短喉道量水槽在两种渠道上表现出的水力特性较为接近,实用性均很好,为以后在灌区实际工程中使用及大规模的推广此类量水槽提供了一定的理论基础。论文主要针对以下几个方面进行了研究讨论:(1)对不同收缩比、喉道长度组合的弧底梯形短喉道量水槽在不同底坡下的水流特性进行数值仿真计算,通过将谢才公式计算值与软件模拟值进行比对研究,发现所采用的数值模型和建立的几何模型准确性高,进而使得通过数值模拟方法对量水槽水流性能进行精准剖析成为可能。(2)得到了弧底梯形渠道中短喉道量水槽的流态分布及水面线变化情况、槽前弗劳德数、沿程弗劳德数的变化规律、水头损失的影响因素等,并针对弧底梯形渠道建立了与渠道上游水位、量水槽收缩比、喉口宽度、喉道长度相关的流量公式,精度较高,满足灌区量水要求。(3)得到了弧脚梯形渠道中短喉道量水槽的流态分布及水面线变化情况、不同断面流速分布情况,将沿程弗劳德数与断面比能进行对比分析,发现发现临界水深断面位置为量水槽扩散段,其出现的位置喉道长度的增大而后移,对水位流量关系曲线、量水槽壅水高度影响因素进行了探讨,并针对弧脚梯形渠道建立了与渠道上游水位、量水槽收缩比、喉口宽度、喉道长度相关的流量公式,精度较高,满足灌区量水要求。(4)通过对其他尺寸渠道进行验证,得出所建立的统一公式具有普适性,为后续其他类型或规格量水槽公式的推出提供依据。本文在研究过程中,由于时间和个人能力的限制,存在一些不足:基于数值模拟方法进行弧底梯形短喉道量水槽的水力性能研究,缺乏水工模型试验和在灌区中实际应用进行对照,后期条件允许的情况下,建议结合工程实际对量水槽进行结构优化和测流公式的进一步修正;在数值模拟过程中未考虑到渠道含沙和漂浮物的影响,后期有条件应进一步研究泥沙等对过流特性的影响以及提出相应的防淤措施;主要针对自由出流工况下的公式流量公式进行了推导,建议后期补充淹没出流相关测流公式;进行流量公式普适性验证时,没有对所取渠道不同收缩比对应的适宜底坡范围进行深入探讨。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S274.4
【部分图文】：

结构示意图,式量,水槽,宽顶堰

图 1-1 长喉道量水槽结构示意图Fig.1-1 The structure diagram of long-throated flume.2 直壁式量水槽直壁式量水槽按喉道长度来看，属于长喉道量水槽。直壁式量水槽随着灌区中的大量推广应运而生，于 1992 年被张志昌所研制，U 形渠道收缩到一定程度与宽顶堰相同的临界流，从而可以利用宽顶堰的水深流量公式进行计算。张志92）对三种不同的 U 形渠道直壁槽式量水堰流量系数规律进行探讨，得出流量缩比呈反比，与水深呈正比的规律，并通过模型验证其准确性；李国佳等（2

式量,渠道,水槽,结构示意图

图 1-2 U 形渠道直壁式量水槽结构示意图Fig.1-2 The structure diagram of th straight-wall flume in the U-channel.2 短喉道量水槽短喉道量水槽目前以巴歇尔量水槽的研究为主（刘钦波等 2013），它是 1926 .Parshall 将长喉道改成短喉道研制而成，在此之前量水槽以长喉道量水槽居多，部为水平的上游收缩段、短直喉道段和槽底部向下游倾斜的下游扩散段组成。壅水高度低，量水精度高（平均误差小于 4%），水头损失小，不易淤积，测等特点（李杰等 2009），是近年来使用较广泛的短喉道槽。但因槽底部坡度寸、修建比例等有严格的规定，要不然会对测量的精度产生影响，所以实际工难度较大，仅在干支渠上应用较多（李香平等 2004），且因耗费大量人力物程性价比会有所降低。设计和安装巴歇尔量水槽时，应注意：量水槽首端距渠应有大于等于渠道宽度两至三倍的距离，量水槽末端距渠道末端应有大于等于四至五倍的距离，平直渠段的长度应大于等于渠宽的八到十倍。世界各国的专家对巴歇尔量水槽也进行了诸多研究。Parshall 在数十年间将巴槽进行改进推广，在多次水力学实验的基础上，制作出多种规格的巴歇尔量水

曲线,量水槽,结构示意图,无喉

图 1-3 标准巴歇尔量水槽结构示意图Fig.1-3 Structure sketch of the standard Parshall flume.3 无喉道量水槽无喉道量水槽源于巴歇尔量水槽，将喉道段去掉进行改进，因喉道长度为零而 1-4，朱怀祖 1973）无喉道量水槽由 1：3 进行收缩的进口收缩段和 1：6 进行口扩散段两部分组成，结构简单易于修建，在壅水不严重的渠道中测量精度高Robert 等（1984）对三种无喉道量水槽的淹没度和测流江都进行了研究；Viveanekar（2007）对七种不同尺寸的无喉道量水槽进行试验研究，得出其在自由出下水位流量关系曲线，并得出形式更为简便的流量公式；Rajib Das 等（2015）流和淹没出流状态下喉道宽度为 0.127m 的无喉道量水槽进行研究，得出不同淹水深随流量变化情况曲线，并拟合出可推广的流量公式。尹京川等（2011）以 F为依托，对矩形渠道无喉道量水槽进行水力性能探究，通过流量值的对比分析模拟方法的可靠性，为今后用三维仿真方法对水流内部特性进行研究提供了依宝鸡峡灌区中大量存在的弧底梯形渠道和弧脚梯形渠道等新型渠道，钟新铭015），杨佩佩（2016），景志芳（2017）分别对弧底梯形无喉道量水槽、弧脚

【参考文献】