基于非恒定水流模拟的灌区明渠水力响应特征分析

为了服务于石头河灌区信息化建设,该文以石头河灌区东干渠渠首约10 km渠道为研究对象,采用渠道非恒定流模拟方法以及闸门自动控制理论模拟分析不同边界条件下灌区渠道断面的水流和闸门开度变化特点,通过模拟分析获得研究渠段在不同水流控制情况下断面上水力响应变化特征规律:相同渠首流量变化条件下,距渠首距离越远断面水力响应持续时间越长;渠首流量变化率越大,相同断面上水力响应持续时间越短;当取水口取相同流量时,渠首稳定流量大小与取水口取水对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈线性关系;渠首流量稳定在相同流量时,取水口取水流量大小与对干渠上游渠道断面水流的影响距离呈指数关系;在进行渠道流量控制时,取水初期取水口闸门调节比较频繁。由于渠道水流之间的相互影响,多个取水口同时进行取水,渠道任意取水口闸门开度变化,都可能引起其他闸门开度的调整。同时通过与实测资料进行对比验证,所获得的渠道断面水流响应特征规律与实际基本相符,模拟渠道水深值与实测水深值误差在±10 cm之间。该研究可为石头河灌区渠道信息化建设及水资源的优化配置提供科学依据。     

沟灌三角形长喉道田间量水槽水力特性试验及数值模拟

针对目前北方灌区田间沟灌缺乏有效量水设施的现状,提出了一种针对田间小流量情况的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,为进一步研究其水力特性,在沟灌简易长喉道量水槽原型试验的基础上,采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对该量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,对水流流态、水深、傅汝德数、纵向时均流速、紊动强度进行了分析。结果表明:试验水深值与模拟值的最大相对误差小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高;通过临界流理论推导与回归分析得到沟灌简易长喉道量水槽测流公式,其计算结果与实际流量的最大相对误差为4.34%;量水槽收缩段及喉道段纵向时均流速沿程不断增大,流速最大值的位置存在于水面以下,越靠近收缩段、喉道段出口,最大纵向流速位置越低,断面流速分布越不均匀;紊动强度总体呈现沿程增加的趋势,各断面的紊动强度最大值相对位置在0.13到0.30倍水深之间,沿程逐渐上升。     

基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,但由于试验条件、测量方法和精度的限制,传统的水工模型试验分析田间量水设施的水力性能存在一定局限性。该文基于FLOW-3D软件,采用RNG k-ε三维湍流模型、Tru VOF方法、FAVOR(fractional area volume obstacle representation)技术模拟喉口宽度为51 mm的田间便携式短喉槽过槽水流的三维流场。与试验结果对比表明:过流能力、水流流态以及水深与试验结果较为吻合,误差小于10%,采用的数值模拟方法能够有效地模拟田间便携式短喉槽水力性能,在确定数值模拟可靠性的前提下,对其水力性能进行分析。数值模拟结果显示:佛汝德数、流速在自由出流工况下沿程增大,在淹没出流条件下先增大后减小,并由佛汝德数分析结果确定了临界水深断面所在区域为喉口段后半部分;通过回归分析得到的田间便携式短喉槽上游水深与流量计算公式最大测流误差为-5.63%,满足灌区量水精度的要求;该量水槽最大水头损失占总水头的12.10%,相比于长喉道量水槽的13%较小。该研究对提高量水设备研发效率、降低研发成本与周期、促进中国灌区流量精准测量设备的推广具有实用价值。     

梯形喉口无喉道量水槽设计及其水力性能模拟与试验

为了解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题,该文提出了一种具有梯形喉口的无喉道量水槽,并给出了量水槽参数与渠道尺寸的比例关系。该文在原型试验基础上,通过Flow-3D软件对过槽水流进行了数值模拟,分析了测流过程中水流流态、纵向时均流速分布、水头损失、湍动耗散沿程变化以及测流精度。研究结果表明:纵向时均流速分布和水流流态的模拟值与实测值最大相对误差均不超过10%,其模拟结果与实测结果较为吻和;基于临界流原理和能量守恒推出的水位流量关系式,进一步回归分析得到测流公式,其计算值与实测值最大相对误差为9.21%,满足量水精度要求;水头损失随着流量增大而增大,当流量大于45 L/s时,增大趋势明显变缓;最大水头损失不超过上游总水头10%,相比长喉道、巴歇尔、抛物线形量水槽水头损失较小。该研究可为灌区渠道量水设施设计提供参考。     

U形渠道圆头量水柱测流影响因素试验及模拟

为研究U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素,基于绕流理论和RNG k-ε湍流模型,对18种体型圆头量水柱5种工况下的水力性能进行全流场数值计算,获得了时均流场、断面流速分布及柱后水流流态,并与实测值进行对比。同时,通过模型试验与数值仿真研究了V形尾翼对测流的影响。结果表明:水力参数的实测值与模拟值具有较好的一致性,渠道底坡为1/1 000,流量为45.01 L/s,收缩比及长宽比分别为0.50和2时,驻点处横断面最大流速模拟值与实测值相对误差为1.51%,水深15 cm位置剖面最大流速模拟值与实测值相对误差为0.45%。适宜长宽比的V形尾翼可以有效改善过槽水流:当收缩比为0.50~0.75时,建议长宽比为3/2~2;当收缩比0.50时,长宽比应相应增大,但不宜5/2。通过回归分析得到的圆头量水柱流量计算公式,在收缩比为0.63时最大测流误差为4.95%,平均误差仅为0.10%,该研究为圆头量水柱在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证

闸站结合式泵站运行时,隔墩前池侧存在严重的不良流态,危害到进水流道进口断面的入流流态。该文采用数值模拟手段对前池内的流动进行预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:原方案靠近隔墩的前池内有大尺度的回流区,该回流从隔墩处一直延伸到靠近流道进口前的横剖面,1#进水流道进口断面上的轴向速度分布较为均匀,呈现出上下、左右对称的趋势,高速区位于断面中心,5#生水流道进口断面上的轴向速度分布不均匀,高速区迁移到断面左侧。分别采取2种导流墩整流措施对前池流态进行调整,与原方案相比,这2种整流措施均能缩小回流区的范围,并改善和提高4#和5#生水流道进口断面上的流速分布和轴向速度分布均匀度。通过定量和定性地对比试验测试结果和数值预测结果发现,二者吻合性较好,数值预测结果得到了验证,这表明该数值计算过程是可靠的,其预测结果是可信的。     

淤地坝泥沙淤积高度对宽顶堰水力特性的影响

为解决淤地坝长期运行,泥沙不断沉积超出设计库容,漫延至溢洪道内并在宽顶堰前堆积从而影响泄流的问题,该研究通过物理模型试验的方法,对不同淤积高度下溢洪道内宽顶堰的水流流态、水面线、流速分布、流量系数等特性进行对比分析。结果表明,随着淤积高度的增加,堰流在保持宽顶堰原有的过流形态同时壅水程度逐渐降低;淤积高度的不同会影响堰前及堰上区域的水面高程和断面流速,堰前水位随着淤积高度的增加略微下降,过流断面逐渐减小,水流流速增大;随着淤积高度的增加,流量系数逐渐增大,即宽顶堰的泄流能力有所增强。因此引入参数相对淤积高度（淤积高度S与堰高P之比）,根据试验数据拟合得到了淤积工况下宽顶堰流量系数经验公式,计算流量与实测流量的平均相对误差为2.7%,满足精度要求,可为淤地坝除险加固工程的相关工作提供参考。     

黄土坡面径流水动力过程试验研究北大核心CSCD

通过室内坡面径流冲刷试验对坡面流水动力过程进行研究,分析坡面流水动力要素过程变化规律。结果表明:在不同坡度情况下,坡面平均流速随时间的变化过程可以划分为增加、减小、波动平衡状态3个不同的阶段;坡面坡度越大则坡面平均流速随时间的变化过程的阶段性越明显;在不同的坡度情况下,整个坡面、整个试验过程的平均水深和平均流速总体随着流量的增大而增大;在同一坡度下,坡面平均水深和平均流速并非随流量的增加而线性增加,其随时间过程线具有波动性,存在着相互交叉的现象;在不同的坡度情况下,坡面各断面平均流速总体有沿程增大的趋势;在同一坡度下,坡面平均流速并非沿程线性增加,坡面平均流速沿程分布线具有波动性,存在着相互交叉的现象。     

基于仿真及物理模型试验构建圆形断面管道非满流流速函数

明渠断面流速分布是精确测量明渠断面流量的基础,也是明渠水流运动规律研究的基本问题。为探究圆形断面管道非满流的断面流速分布特性,采用经实测资料验证的三维紊流数学模型及数值求解方法,对不同底坡和充满度组合情况下的圆管非满流进行了数值模拟。结果表明:圆管非满流的断面流速分布对充满度非常敏感,充满度越大,垂线流速的非单调性越明显,当充满度低于0.5时,未出现最大流速点下潜(dip)现象;当充满度超过0.5时,dip现象越发明显,这是因为当充满度超过0.5后,内凹型侧壁对水面的约束作用增强,断面二次流更加明显。圆管非满流断面上各垂线的流速分布曲线具有很好的相似性,均接近于抛物线曲线特征,二次函数中的待定系数主要受垂线横向位置和充满度的影响。通过回归分析建立了圆管无压均匀流中沿垂线流速的抛物线分布公式,同时给出了各系数的确定方法,按上述流速分布律计算的流速值与实测值吻合良好,曲线拟合的决定系数均在0.92以上,表明给出的抛物型垂线流速分布规律是合理可靠的。     

曝气增氧微气泡-水界面和水体表面的氧传质的计算分析

在水产养殖池塘中微孔曝气充氧系统日益受到关注,为了探究微气泡-水界面与水表面湍动对氧传质的贡献,在不同曝气流量、不同淹没水深条件下进行了水体底部微孔曝气增氧试验。基于氧体积传质理论,采用美国土木工程协会推荐的计算模型和两区氧传质模型进行耦合求解,计算得到了水体底部微孔曝气增氧过程中气泡-水界面和水表面湍动扩散氧体积传质速率。对温度修正后的体积传质速率进行分析,结果表明,在一定的淹没水深下,气泡-水界面和水表面湍动扩散氧体积传质速率均与曝气流量成正比;而在一定的流量下,气泡-水界面和水表面湍动扩散氧体积传质速率与水深成反比。针对于浅型养殖池塘,随着曝气管淹没水深的增加,虽然水表面传质的贡献率有所下降,但是其贡献仍然很大,占到了80%以上。结合微孔曝气式增氧系统具有能耗较低、安装简单等优点,采用微孔曝气式增氧系统对浅型水域增氧和湍动混合具有较大优势,值得推广采用。     

气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化

当前用于无人机挂载的撒播装置通常为离心圆盘式,该方式的落种区为圆弧形,撒播均匀性不稳定,且在作业幅宽方向上的调控比较困难。为了改善撒播作业的效果,探究适合无人机挂载的水稻撒播装置,该文设计了一种气力式无人机水稻撒播装置,利用气流将种子沿不同的方向吹送出去。该文就种子颗粒在所用无人机平台风场中运动情况进行分析和归纳,对撒播装置的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了分流箱气流出口尺寸与出口风速的关系,以及导流通道的锥角对导流通道内的气流与气压分布的影响及对撒播幅宽和撒播均匀性的影响。试验结果表明:分流箱气流出口尺寸与出口风速之间存在极强的负相关关系,根据设计需求选择φ32 mm作为较佳的气流出口直径。导流通道的锥角与撒播幅宽之间存在极强的线性相关关系,相关系数R2=0.999。综合考虑通道内的气压和流速分布,以及锥角对幅宽和均匀性的影响,优选130?为导流通道的锥角。该文进一步研究了无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响,结果表明:在1~2.8 m的范围内,作业高度与撒播幅宽的相关性显著系数为0.3590.05,作业高度与撒播均匀性的相关性显著系数为0.1970.05,在给定的高度范围内无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响不显著,在实际作业中,综合考虑撒播幅宽和均匀性变异系数以及田间作业环境等因素,优选2 m作为该无人机平台的适宜作业高度。该研究为进一步样机的优化改进提供了参考。     

泵站进水池超低水位下组合整流方案与验证

泵站在超低水位下运行时,将引起泵站进水水流流态恶化,危及泵站的安全稳定运行。为了解决这一问题,该文通过对黄河下游田山一级泵站在进水池超低水位下运行时存在的严重不良流态及其对机组造成的危害进行了分析,提出了在进水池设置导流台、水下消涡板和W型后墙导流墩的组合整流措施,应用三维数值计算方法对进水池的水流流态和该组合整流措施下的整流效果进行了数值模拟,并采用透明的进水池模型对数值模拟结果进行了检验。数值计算和模型试验结果表明:组合整流措施消除了进水池表面、池底、边壁的漩涡、回流以及死水区,进水池的水流流态和进水喇叭口的轴向速度分布得到了有效的改善。研究成果可为超低水位下运行的泵站提供参考。     

用于梯形渠道的仿翼形便携式量水槽水力性能

机翼形量水设施水力条件优、量水精度高,但翼形曲线的复杂性制约其推广,为此,该研究基于结构简单的仿翼形便携式量水槽,探究其在末级梯形渠道的适用性。模型试验设计5组收缩比、7组流量进行水力性能试验,在此基础上,基于FLOW-3D软件对比分析仿翼形与机翼形量水槽水力性能的差异,深入研究不同收缩比对仿翼形量水槽水力性能的影响。研究结果表明：数值模拟与试验结果的水深数据吻合,误差小于4.91%,数值模拟的方法准确可靠;简化后未改变机翼形过流顺畅、雍水高度小等特点;所有工况上游佛汝德数均小于0.5,雍水高度小于7.6 cm,满足测流精度和渠道安全的要求,收缩比在0.60～0.64范围时,量水槽水力性能最优;基于能量方程及临界流原理建立的流量公式精度较高,平均测流误差为2.75%。该研究表明仿翼形保持了原机翼形良好的水力性能,测流精度高且曲线形式简单,便于推广,对于促进灌区末级梯形渠道便携式量水槽的推广具有实用价值。     

旋流式鱼道的构建与水力特性分析

为增强过鱼设施的蜿蜒性和自然性,该文提出了一种采用曲线型边壁和导流坎的旋流式鱼道结构。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下鱼道内两侧边壁水流的沿壁沿程水深以及水流流态,观察了过鱼效果,验证了数值计算的准确性,通过数值计算进一步分析了旋流式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:鱼道内形成的旋流蜿蜒曲折,流态丰富。过鱼通道内主流区流速均不大于0.84 m/s,满足过鱼要求,过鱼对象可以在该鱼道内顺利上溯,主流两侧的缓流或回流区可为鱼类休息之用,说明了鱼道体型的合理性。该文提出的鱼道丰富了鱼道的形式,对今后类似鱼道的设计和建设具有一定的指导意义。     

双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。     

大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析

大型泵站前池和进水池经常存在表面旋涡和附壁涡,从而影响水泵运行稳定性。而由于大型泵站的尺度大,单一型式的导流墩很难改善这类泵站的进水流场。该文以广东省永湖泵站为研究对象,采用数值计算和现场测试相结合的方法,研究了组合式导流墩在改善大型泵站前池、进水池流态方面的效果,构建了由八字型导流墩、川字型导流墩和十字型消涡板相结合的组合式导流墩。三维流体动力学计算发现,组合式导流墩利用前端的八字型导流墩降低前池扩散角,减弱前池大尺度表面旋涡,借助后续的川字型导流墩调整流动均匀度,将水流均匀导入进水池,再通过水泵吸水喇叭管下部的十字型消涡板去除水泵吸水喇叭管周边的附底涡,提高流速分布均匀度,经计算喇叭管底面、水泵进口断面流速分布均匀度分别提高了7.8%、10.6%。实际测试表明,组合式导流墩将水泵最大压力脉动降低17.1%,将水泵振动由D区降低到C区,达到水泵技术标准规定的振动要求,保证了泵站的安全稳定运行。该研究对大型泵站建设提供了参考。     

南水北调中线工程封冻期闸门群开度控制器改进设计

大型串联渠系封冻期容易产生较大的水力波动,增大了冰塞形成风险,如何通过闸门群联合调度减小水力波动,能够在一定程度上抑制封冻期冰塞发生。该研究通过设计PI(Proportional Integral)控制器和OF(Optimization Feedback)控制器2个控制环节,以最小水位偏差为目标函数,考虑渠池间流量约束、闸门开度约束和闸门调整速率约束,结合遗传算法,建立封冻期渠系闸门群优化调度模拟模型,并以南水北调中线古运河节制闸至北拒马河节制闸之间的渠系为背景,进行模型效果分析与参数敏感性分析。模拟结果表明,在模拟工况下,控制器中加入OF控制器较仅用PI控制器显著降低最大水位偏差,其中下游最大水位偏差减小约36%,且系统恢复稳定时刻提前近2.9 h,所建模型对抑制封冻期水力响应过大有一定的效果;减小了各闸门的最大开度,其中渠池11闸门最大开度减小近20%,但对于部分渠池增大了单次闸门开度调整幅度;遗传算法求解过程对扰动流量取值范围设定不宜过大。     

平底悬链线形明渠水力最优断面求解

断面设计是渠道设计的重要内容之一,适宜的渠道断面不仅能够增加过流能力,提高输水效率,减小输水损失,还能降低建造成本。该文提出了一种具有平底和悬链线形侧边的明渠断面。这种断面将平底和悬链线侧边平滑连接,既具有平底断面建造容易、灵活,管护方便,底部容易压实,侧边和平底可以用不同材料建造(以降低成本)等优点,也具有悬链线形断面过流能力大、无应力集中拐角、不宜渗漏、防冻胀能力强,耐久性好等优点,可广泛应用于大、中、小型渠道及寒区,具有良好的实用价值。推导了过流面积、湿周、水面宽度等水力断面特性计算公式。提出了一个更简单的正常水深的迭代算法。基于拉格朗日乘子法,推导出了平底悬链线形明渠的水力最优断面,结果表明其水力最优断面的底宽与水深比、水面宽与水深比、底宽与形状系数比、水面宽度与形状系数比、形状系数与水深比均为常数:宽深比等于0.405,形状系数与水深比等于0.474,水面宽与水深的比值为2.112,底宽与形状系数的比值为0.855。与现有平底断面(梯形、平底抛物线形、平底半立方抛物线形)进行了比较,结果表明,在过流面积或湿周一定的情况下,平底悬链线形断面的过流能力最大,相反,在流量一定的情况下,平底悬链线形断面的过流面积、湿周、水面宽度是最小的。与传统的悬链线形渠道进行了比较,增加平底后,在同等条件下,平底悬链线形渠道水力最优断面的过流能力不仅没有降低,反而增加了,意味着其经济性也优于传统的悬链线断面。研究为平底悬链线形渠道设计提供理论支撑。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水位流量关系数值模拟

目前为适应我国多数渠道断面方式和灌区管理方式,开发研制新型量水配套设施对灌区节水起着至关重要的作用。利用Fluent 6.3大型流体力学数值仿真软件,结合有限体积法、RNG k-ε湍流模型和VOF模型,在不同渠道底坡上对不同量水槽水位流量进行数值模拟试验研究。结果表明:（1）量水槽流态上游水面平稳属于缓流,量水槽槽内水流为急流,可知由缓流过度到急流必然会发生临界流,量水槽沿程弗劳德数可知量水槽喉口附近扩散段内产生临界流;（2）弧底梯形渠道无喉道量水槽具有较好的水位流量关系,渠道收缩比ε与渠道比降i对形成单值稳定的水位流量关系有较大的影响,随着渠道尺寸增大同时收缩比ε减小,量水槽水位流量逐渐在较大的底坡范围内形成统一的水位流量关系。（3）流量系数与量水槽宽和收缩比具有较好的线性关系,同时流量系数随R,H、ε的增大而变大,回归分析建立的量水槽流量公式,测流公式平均误差值小于5%,说明弧底梯形渠道无喉道量水槽测流是可行的,满足明渠测流要求。研究成果对灌区渠道量水槽的设计优化提供了一定的参考和建议。