基于流速分区理论的半圆形明渠测流点布控方法研究

【目的】针对半圆形渠道进行物理模型试验研究,揭示半圆形渠道沿壁面法线方向平均速度特征位置的分布规律,为非标准断面渠道测流方法提供新思路。【方法】基于不同水力条件下渠道断面流速的量测结果,从流速分区理论出发,利用经典对数公式推导半圆形渠道断面测速法线上平均流速特征位置点的理论计算公式,考虑侧壁对摩阻流速的影响,基于测定特征位置的流速从而得到整个半圆形渠道断面的平均流速。【结果】本研究提出半圆形明渠在过圆心的测速法线上平均速度特征位置的计算公式,与试验结果相比,该公式计算结果所得平均误差在10%左右,该公式能较好地反映半圆形明渠测速法线平均速度特征位置的分布特性;沿测速法线方向分析半圆形明渠断面流速分布精度更高,流速分布规律的分析也更加合理。【结论】平均流速特征位置点理论公式计算结果与模型试验结果较为吻合,公式精度较高,工程中可通过测量特定位置的点的流速进而推求断面平均流速,达到快速准确确定渠道断面流量的目的。     

基于水面一点法的明渠流量计算方法研究

针对当前接触式流速仪测流难度大的问题，提出了一种非接触式流量计算方法。由于渠道水流中垂线平均流速与断面平均流速近似相同，垂线平均流速与垂线水面处流速的比值为恒定值，因此可以通过该恒定值与中垂线水面流速、断面面积三组参数实现对明渠断面流量的计算。以东深供水工程某段矩形明渠为研究对象，对不同垂线上实测流速进行积分计算垂线平均流速，通过实测流速拟合抛物线函数流速分布公式计算垂线水面处流速，同时将垂线平均流速与垂线水面处流速的比值作为流量系数。结果发现，基于该流量系数的计算流量与实测流量十分接近，表明本文提出的水面一点法保证测流精度的同时能有效降低测流难度。提出的基于水面一点法的明渠流量计算方法具有较高精度，可为东深供水工程渠道流量实时监测及其他灌区快速测流提供理论依据。     

U形渠道流速分布特性分析与试验

依据室内试验和田间实测资料,分析了U形渠道水流流速分布特性,建立了U形渠道水流横向流速分布指数律、垂向流速分布双幂律,给出了相关参数的确定方法,并提出了基于U形渠道水流分布规律的明渠测流计算断面中线“三点法”.实测资料验证表明:中线“三点法”在室内不同工况计算流量相对误差均在±4％范围内;除个别测点外,现场实测计算流量相对误差也在±5％范围内,说明中线“三点法”计算精确.与流速-面积法需9个测点相比,中线“三点法”节省了60％以上的测流工作量.     

宽浅式梯形渠道流速分布规律及流量计算方法研究

为研究宽浅式梯形明渠流速分布规律，简化渠道流量测量过程、提高测流精度、促进灌区工作效率提升，利用声学多普勒剖面流速仪进行流速、流量、断面面积的测定；通过正交距离回归算法对相对流速和相对水深与二次抛物线函数拟合，得到垂向流速分布规律，根据横向流速分布规律结合测量数据，利用线性拟合分析得到横向流速分布影响系数，最终通过待定系数法得到断面平均流速与中垂线表面流速的系数值。结果表明：测点实际流速与平均流速之比作为相对流速，拟合得到的宽浅式梯形渠道断面流速分布规律R2均在0.937以上，拥有较好的相关性；宽浅式梯形渠道测线平均流速横向流速分布符合乘幂函数分布形式，并对横向流速流速分布公式进行流速验证，在横向相对位置0.2<(B-2 d)/B<1区间内误差均小于5%；推导出了宽浅式梯形渠道中垂线表面流速与断面平均流速关系，对AB两地宽浅式梯形渠道干渠进行断面流量验证，实测流量与计算流量的误差小于5%，符合量水规范的要求，可实际用于灌区量水。     

一种超声波明渠方筒流量测量方法

针对现有明渠流量测量方法环境适用性差、测量精度低的问题,提出了一种超声波明渠方筒流量测量方法。利用方筒自带标准过流断面,无需考虑明渠形状,应用四对换能器分层测量筒内流速,并结合超声波液位计测得的液位高度,便可计算出流过方筒的流量。研究了现有明渠测流技术,并通过对方筒进行Fluent仿真分析,根据分析结果确定了分层测量方案和流量计算方法。该法可适用于各种形制的明渠流量测量,测量精度高,安装使用简单方便。     

明渠水流流层平均流速分布规律及其应用

为提高灌区用水管理水平及水资源利用效率,基于室内及田间实测资料,利用指数律计算了流层平均流速,采用双幂律拟合流层平均流速垂向分布,给出了相关参数的确定方法,并基于流层平均流速分布双幂律提出了"水面流速法"实现明渠测流。经室内及田间实测资料验证,双幂律可以准确表达流层平均流速垂向分布特点,在0.1≤y/h≤0.95的范围内,除个别点外,双幂律计算流速与实测流速的相对误差在±5%以内;首次提出的"水面流速法"只需测量水面中点流速及水位,即可根据断面参数计算渠道流量,测流结果精度较高。与传统方法相比,"水面流速法"无需改造渠道,不干扰水流,在不降低测流精度的条件下,大大节省了田间测流工作量,适应灌区对量水自动化与信息化的发展需求,可以在生产实际中推广应用。     

明渠水流测线平均流速横向分布及其应用

基于室内与田间试验,分析了明渠水流流速分布特性,提出了水流测线平均流速横向分布抛物线规律和明渠测流方法。结果表明,抛物线规律表达测线平均流速横向分布具有较高的计算精度,在(1-2x/B)>0.1的范围,实测与拟合计算流速的相对误差在±5%之间;利用测线均速抛物线规律对不同渠形测流具有良好的适用性,相对误差在±5%之间,且减轻了田间施测工作量和便于灌区测流自动化。     

基于FLUENT的摆杆式明渠测流特性数值模拟

为更好地进行灌区输配水管理,提高灌区量水精度,对摆杆式明渠测流装置在D50型U形渠道中测流特性进行数值模拟研究。基于计算流体力学,通过FLUENT软件,采用VOF方法、Realizable k-ε湍流模型以及动网格技术对3种不同材质测流摆杆测流特性进行数值模拟,并利用后处理软件对模拟结果进行分析,发现模拟渠道水位随着流量的增大而增大,水流最大流速位于水面下方,符合明渠水力学基本原理;采用动网格技术对测流摆杆摆动特性进行模拟是可行的;利用测流公式算得流量与实际流量之间平均相对误差小于3%,可以满足明渠测流精度要求。     

基于Tsallis熵的两点法确定明渠断面流速分布及数值模拟验证

在现代农业灌溉中，为了得到明渠断面的流量，首先需要确定明渠断面的流速分布，然而以往的流速分布公式大都不够准确，无法满足精准灌溉的需求，针对这一难题，在基于Tsallis熵推导流速分布的基础上，对熵参数重新推导，提出新的熵参数，进一步简化了流速分布公式，提出两点法确定断面流速分布的研究方法，并结合实测资料和数值模拟软件进行验证。结果表明：通过测量水面下断面中心线上一点流速值u_c与相同水深下另一点的流速值u_z，可计算出流速分布公式中两个未知参数G_p、m_p，确定该水深位置横向流速分布公式，再通过已知参数计算出断面最大流速u_max，并确定断面中心线流速分布公式。与以往的流速分布公式相比，两点法更加简便，能够较好的应用在工程实际中，具有较高的理论意义和实用价值。     

U形渠道断面测流及流速分布试验

从试验的角度使用断面测流方法，针对三种不同规格的U形渠道测量断面流速分布，运用数学拟合方法，探求U形渠道流速分布规律，并分析出了相应的U形渠道过水断面流量的积分求和公式，以求对以后的U形渠道量水工作有所帮助。     

U形渠道水流流速垂向分布规律及模拟

为了明确U形渠道水流流速分布规律,指导田间用水管理生产实际,基于室内和田间实测资料,分析了U形渠道水流流速分布特点,将非对称封闭渠道流速分布结果引入明渠水流流速分布研究中,提出了垂向流速分布双幂律,同时给出了相关参数的确定方法,并采用实测资料对双幂律进行了验证.结果表明,U形渠道同一测线不同测点水流流速随着垂向位置的升高而逐渐增大,但在水面处有所减小,最大流速出现在水流表面以下.在此基础上建立的能够同时表达上下底面影响水流流速分布的双幂律,能够准确表达U形渠道水流流速分布特点;与常用流速分布规律相比,双幂律具有更高的计算精度.经实测资料验证,双幂律拟合流速垂向分布计算结果的相对误差较小,在相对深度处于0.10～0.95的计算区间内,双幂律计算相对误差小于5%,且对常见的不同断面、不同规模渠道具有普遍适用性.     

速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

速度矩分布规律对混流泵叶轮设计的影响

根据Ωu=0二元设计理论,提出了采用四次多项式表示叶片速度矩沿轴面流线的分布规律,进而通过理论分析,确定用其中一个参数控制叶片速度矩的分布规律,以减小设计结果对经验的依赖程度.由此确定的速度矩分布规律包括＂S＂型、反＂S＂型和＂L＂型3类.采用不同的叶片速度矩分布规律,比较分析了对应的叶片出口边位置、包角等设计结果,并基于正问题分析,对不同叶片速度矩分布规律下的叶轮效率预测值和叶片表面载荷分布进行了比较.结果表明：对于Ωu=0的设计方法,采用四次多项式描述叶轮轮缘边速度矩分布规律是合理的;对于给定的混流泵轴面流道,部分＂S＂型速度矩分布规律能合理地满足叶片表面扭曲和混流泵结构设计的要求;采用合理的＂S＂型速度矩分布规律设计的叶轮效率最高,叶片表面载荷分布更加光滑.结果可为混流泵叶轮设计提供参考.     

U形渠道断面流速分布规律的初步研究

通过对U形渠道断面流速分布进行理论分析和试验研究,发现断面内最大流速发生在水面以下,综合国内外学者使用不同的流速仪对矩形明渠和复式断面明渠的试验资料,得出最大流速发生在水面以下是由于二次流的存在引起的。分析水槽实测流速,发现由于最大流速发生在水面以下,使得中垂线流速分布与对数律流速分布形式和抛物线形式拟合曲线都有一定的偏差。     

不同工况下Y型网式过滤器流场数值模拟分析

为探究网式过滤器的水力性能,充分了解网式过滤器内部最初流场、滤芯网面流量分布情况,应用计算流体动力学方法对网式过滤器3种入口流速(0.5、1.5、2.5 m/s)以及3种滤网目数(60、80、100目)对过滤器流场进行数值模拟。通过试验对模拟结果的可靠性进行验证,结果表明：过滤器的水头损失集中在出口侧滤芯上,该部分水头损失占总损失的87%;水流在腔体内可分为出口侧加速区、出口侧减速区、堵头回流区和漩涡区4部分;滤网面流量分布严重不均,高流量区域主要分布在出口侧,入口流速由0.5 m/s增至2.5 m/s过程中,网面最大与最小流量均相差3.3倍,滤网目数为60、80、100目时,网面最大与最小流量相差3.3、3.1、2.3倍,且滤网目数增至100目时,最大与最小流量位置向两侧偏移;堵头处死水区压力大、流速低,泥沙易于沉淀,建议扩大堵头容积以承接更多的泥沙;可以考虑增大腔体体积、改变腔体角度、在入口处设置导流片,从而改善流场分布;建议在滤网上增加环状片体,改善网面流量分布,从而提高过滤器的使用寿命以及过滤效率。     

稻秸秆受切特性的试验研究

采用正交试验设计方法对稻秸秆各种条件下的切断速度进行试验研究,确定了影响稻秸秆切断速度的主要因素及因素影响显著性的程度。试验表明,定刀型式对稻秸秆的切断速度影响较显著,双定刀及较小的刀片间隙有利于切断秸秆;另外,含水率对稻秸秆的切断速度影响较显著,切断速度随秸秆含水率的增加而增大。     

U形渠道横向流速分布规律及测流

借助U形渠道试验，利用指数公式对实测流速值进行分析。结果表明，指数公式可以很好的表示U形渠道横向流速分布规律。结合推导出的流速指数公式及流速-面积法，探索出了U形渠道流量计算公式，经实例验证，该公式误差较小。     

立式轴流泵进水流场PIV测量

采用3D-PIV激光流速仪对立式轴流泵喇叭管和进水池内部流动进行了测量,2个典型流量工况下的测量结果表明:设计流量(Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈对称分布,断面轴向流速均匀度达到0.87,无旋涡发生,喇叭管内及泵叶轮进口水流流态良好;大流量(1.2Q0)工况时,叶轮进口断面流速场呈非对称分布,断面轴向流速均匀度仅0.70,流道及喇叭管内有较强的旋涡产生,并进入叶轮诱发振动。分析了旋涡核心区的细部流动结构,导出了旋涡的数字形态,揭示了涡核内水流圆周分速度的分布规律,涡核中心的流速接近为零,圆周分速随涡核半径增加而增大,在半径3~5 mm范围内速度梯度最大,旋涡的强迫涡特征十分明显。提出了基于流量的单元面积加权流速均匀度及相应的计算公式,使过流断面流速均匀度的计算结果更为合理、更加符合实际。     

动边界同心环状缝隙流研究

为完善同心环状缝隙流理论,采用理论分析与模型试验相结合的方法,分析了圆柱体从静止到起动再到运行过程中同心环状缝隙流速的分布特点。得出圆柱体的速度、缝隙宽度以及流量对环状缝隙流的分布和大小的影响。环状缝隙流速随缝隙宽度的增大呈现先增大后减小的趋势,缝隙宽度约在2 cm附近时,缝隙流速最大;流量越大,环状缝隙流速就越大;圆柱体的速度越大,缝隙流速也越大;环状缝隙流速在与管内水流速度和圆柱体速度相交之前最大,相交之后最小。同时建立了动边界条件下的同心环状缝隙流数学模型,计算结果与试验基本一致,最大相对误差不超过8.5%,说明该数学模型可行。