U形渠道三角剖面堰数值模拟与水力性能探究

为探究U形渠道三角剖面堰量水的可靠性及其水力特性,以更好地进行灌区科学化管理,合理分配水量。基于堰流原理,通过Fluent 6.3软件,采用VOF方法和RNG k-ε湍流模型对U形渠道三角剖面堰进行三维数值模拟,并对模拟结果进行分析。对不同流量工况下沿程水面线,流速分布,佛劳德数以及水头损失进行探究分析,得到水面线在量水堰处急剧下降,同时流速增大。水流流态从缓流到急流再恢复成缓流,临界流出现在堰顶处,且最大水头损失不超过上游总水头的13%,理论分析发现各项水力特性均符合经典水力学基本原理。建立流量公式并比较分析计算流量,模拟流量和渠道流量,最大误差为13.86%,最小误差为0.03%,基本符合灌区量水堰测流的精度。     

U形渠道半圆柱形量水槽的数值模拟

通过室内试验,利用Flow-3D软件,采用True VOF法和RNGk-ε紊流模型对U形D40渠道半圆柱形量水槽进行了三维数值模拟。试验设置了4种不同收缩比(ε=0.27、ε=0.32、ε=0.36、ε=0.52)的半圆柱形量水槽,获得了18种工况下量水槽内的水面线及流量等水力要素,与实测值进行对比分析,得出了水位与流量曲线,并拟合出了其流量公式。结果表明,数值模拟的自由水面线与试验结果基本一致,模拟值与实测值最大相对误差均小于5%。因此,采用数值模拟方法能够有效模拟半圆柱形量水槽的三维水流特性。     

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。     

过流调控型渠道测流装置试验研究

基于薄壁堰测流原理,设计了过流式水位流量可调新型渠道测流装置,并通过试验拟合测流装置在6个不同仰角下自由出流时的流量计算公式,绘制不同仰角下流量与堰上水头的关系曲线。结果表明,流量与堰上水头具有良好的相关关系,流量计算最大相对误差为3.83%;流量相同情况下,仰角越小,堰上水头越大。该测流装置临界淹没度达0.90以上,可应用于替代渠道进水闸、节制闸,同时具备水位调控与流量量测功能。     

新型梯形量水堰水力特性试验及数值模拟

梯形量水堰因结构简单、测流精度较高而广泛应用在灌区末端渠道上,但现有灌区梯形量水堰存在的测流范围小、泥沙易在堰前淤积问题严重制约着其应用推广,据此提出以改进堰为基础的堰孔组合的新型梯形量水堰.采用量纲一化分析法确定流量公式,并以水工模型试验结果为基础,率定数值模拟模型参数,利用Fluent软件计算获得4种新型梯形量水堰不同流量条件下的水深、堰流流量值、流速分布及速度矢量图,最后通过试验数据拟合出测流公式.结果表明:不同孔口高度的新型梯形量水堰孔口出流对堰上出流的影响随着堰前总水头的增大而逐渐减小;拟合的流量公式简明易用且通用性较高,平均相对误差为2.63%;将模拟结果与试验值做对比分析,二者吻合度较高,平均相对误差为2.53%,说明模拟结果具有一定的可靠性,可为堰孔组合式量水设施的工程设计提供参考依据.     

U形渠道斜坎量水堰水力性能试验及数值模拟

为了探索U形渠道斜坎量水堰水力性能及影响因素,采用试验及计算流体力学软件(FLOW-3D)对量水堰体型参数不同时,在各流量工况下的过堰水流流场进行模拟,获得其水面线变化、断面流速分布以及量水堰最大堰高所在断面附近的佛汝德数。结果表明:数值模拟与试验所得的水面线变化情况具有较好的一致性,模拟所得佛汝德数和断面流速分布均与理论结果吻合。通过量纲分析法将试验数据运用spss进行拟合得到的测流公式具有较高的测流精度,相对误差最大为6.68%,最小仅为-0.13%,满足灌区量水设施精度要求。     

矩形渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验研究

侧堰作为一种量水设施,安装在渠道侧边,直接与小型渠道或田间入水口连通,无需改变原有渠道断面结构,具有体型简单、安装拆卸方便、精度较高等优点,有很好的应用价值,但目前对其堰型以及水力特性影响因素的研究还不深入,在前人研究的基础上,对矩形渠道4种不同堰角(θ=0°,3°,6°,9°)的梯形侧堰在7种不同流量下进行了49组试验,获得了侧堰附近水面线,并基于无量纲原理研究了流量系数与其影响因素之间的关系,推导了操作简单且精度较高的流量公式,侧堰正向放置时其最大相对误差为9.95%,平均相对误差为1.57%,逆向放置时其最大相对误差为9.93%,平均相对误差为0.28%,均满足灌区精度要求;研究了水头损失与流量及堰角之间的关系,堰角越大,水头损失越小,其变化范围为40%~70%之间。     

基于VOF的量水槽流场数值模拟

利用Fluent软件,采用VOF方法与标准k-ε紊流模型相耦合,对U型渠道平底抛物线形无喉段量水槽的流场进行三维数值模拟。通过建立不同渠槽模型,分析不同流量工况下沿程水面线及速度场分布,将数值模拟结果与实测结果、公式计算结果进行对比,结果表明,模拟值与实测值、公式计算值吻合较好。并应用该数值模拟方法对量水槽的流量公式进行了检验,为提高其测流精度提供一定的参考依据,为该量水槽结构设计与优化提供了新的思路。     

标准U形渠道多孔板式测流的数值模拟研究

为了探索多孔板式测流装置在标准U形渠道中的测流精度及影响因素,利用Fluent数值模拟软件对不同流量下的水流流场进行模拟,可得到各个时段水面线的云图。多孔板式测流装置的每对流道相当于一个毕托管,利用动静压管中水的高差即为流速水头,从而得出流速■。通过观察水面线的变化以及对流速数据的分析,结果发现,数值模拟得到的流速与实际实验得到的流速平均相对误差在5%以内,吻合度很好,符合明渠测流装置测量精度的要求,进一步证明了数值模拟的准确性及可行性。     

陡坡U形渠道椭直形量水槽田间试验

为了解决坡度为1/100~1/200的U形渠道量水问题,开发了一种椭直形量水槽。选用6种不同收缩比,在3种不同规格的U形渠道上进行田间试验。利用量纲分析法推求水深流量关系,提出田间试验中壅水高度的计算方法,探讨壅水长度对量水槽建造位置的影响,分析了测流精度和佛汝德数。结果表明:相对水深与相对流量具有良好的幂函数关系,R2=0.995,由此建立的自由出流流量公式具有一定的精度,平均相对误差为2.38%,最大相对误差为5.04%;量水槽的收缩比应控制在0.55以下;量水槽距离渠道进口应大于渠宽的15倍。研究为椭直形量水槽在陡坡U形渠道上的进一步应用提供参考。     

U形渠道机翼柱型量水槽水力性能分析

为了详细探究机翼柱型量水槽应用于U形渠道的量水性能,设置了4个不同的量水槽收缩比开展水力性能试验。通过对流量、收缩比和上游水位等数据进行分析,拟合出机翼柱型量水槽的流量公式。研究还对测流精度、上游佛汝德数、临界淹没度等参数进行了详细分析。试验结果表明,机翼柱型量水槽水位～流量相关性极高,相关系数R2达0.998,利用试验数据拟合出的流量公式简单易用,平均流量误差约为2.47%,上游佛汝德数小于0.3,临界淹没度最高为0.887。与传统的U形渠道量水槽相比,机翼柱型量水槽的流动公式简单易用,U形渠道机翼柱型量水槽的结构为进一步研究提供了新的思路和参考。     

U形渠道斜坎量水堰水力性能试验研究

针对底坡大于1/200的U形渠道的量水设施匮乏,设计了一种斜坎量水堰,通过在U形渠道上对9种不同体型斜坎量水堰在8种流量下的72组过堰水力性能原型试验,分析了水面线变化趋势、堰高及量水堰坡度对上游壅水高度的影响,研究了各断面水深与流量的关系。结果表明:量水堰上游坡度和堰高对水面线、上游壅水高度影响较大,且堰高的影响大于量水堰坡度对其的影响;建立的斜坎量水堰测流公式精度较高,在量水堰堰高大于5 cm时误差基本分布在±8%以内。量水堰建议堰高P小于10 cm,堰长L为堰高P的10~12倍。     

底坡对U形渠道量水平板测流影响分析

【目的】量水平板具有构造简单、不易淤积等优点,虽已建立流量与平板偏转角、上下游水深及板型等因素的关系式,但底坡对量水平板水力特性的影响还缺乏系统研究,有必要深入分析,以提高量水平板测流公式的适用范围。【方法】以北方灌区常见U形渠道为试验水槽,选择断面最佳收缩比0.439的U形渠道量水平板为试验对象。通过设置3种水槽底坡(0.000 2～0.001)和4～7种流量(10～44 L/s)共18种试验工况,分析了各工况下水面线和平板偏转角的变化规律,研究了底坡对水面线、相对水头损失、能量转化系数、平板偏转角度和综合流量系数的影响。基于闸孔淹没出流公式,拟合出含底坡变量i的半经验流量公式。【结果】在相同流量情况下,板后水跃长度、能量转化系数以及综合流量系数随底坡增大而增大;水面线、相对水头损失和平板偏转角度均随底坡增大而减小;在试验流量范围内,拟合流量公式的平均相对误差为2.6%,最大相对误差为6.5%,满足灌区量水要求。【结论】底坡对U形渠道量水平板测流影响显著,建立了包含渠道底坡的U形量水平板测流公式,提高了其适用性。     

梯形渠道翼柱型量水槽试验研究与数值模拟

【目的】探究翼柱型量水槽在梯形渠道量水的适用性。【方法】对4种不同收缩比的翼柱型量水槽进行水力性能模型试验,并运用Fluent 17.1软件对其中2种收缩比的量水槽进行了数值模拟。通过对上游水位、流量和收缩比等进行分析,拟合得到了量水槽流量公式,并从测流精度、佛汝德数、临界淹没度以及水头损失等方面对其量水性能进行了分析。【结果】翼柱型量水槽在梯形渠道量水性能优良,水位-流量相关度极好,R2可达0.997 1以上,拟合的流量公式简明易用,测流平均误差为2.41%,上游佛汝德数均小于0.4,临界淹没度达0.85以上,通过数值模拟对量水槽水面线和流量进行误差分析,将实测值与模拟值进行比较,二者平均误差分别为3.80%和3.72%,与试验结果高度吻合,模拟结果准确可靠。【结论】翼柱型量水槽可用于梯形渠道量水,且量水精度满足明渠测流规范相关要求。Fluent软件可用于翼柱型量水槽数值模拟。     

WES堰下泄水流噪声试验数值模拟分析

原先的试验以物理模型为基础,布置模型的测点,利用EZ-Analyst噪声与振动分析软件和数据统计软件,得出一定结论,但是试验存在一定的局限性。本研究将计算流体力学与计算声学相联系,对WES堰的消力池水噪声场进行模拟。借助已完成的物理模型成果,选取3种已完成的WES堰物理模型试验的工况进行数值模拟,通过建立模型,设置CFD边界条件,得到了WES堰模型的水位流态、流速、噪声值的模拟结果。计算结果与物理模型试验结果基本吻合。     

TCC控制下的渠道水流数值模拟研究

青铜峡灌区建立了全国首个全渠道控制系统(简称TCC)示范区,TCC通过测控一体闸控制水位流量,运行调度过程中渠系产生非恒定非均匀流。本文应用圣维南方程组模拟渠道水位流量过程,应用普列斯曼有限差分法离散方程组,采用牛顿-拉普森迭代法求解非恒定非均匀流的代数方程组。针对U形渠道进行了水流过程的数值计算,验证结果表明,圣维南方程组及牛顿-拉普森迭代法适用于测控一体闸的水流模拟,水位和流量的计算结果与实测值误差较小。研究结果为建立测控一体闸的控制模式提供依据。     

基于结构化网格的离心泵全流场数值模拟

采用计算流体力学(CFD)方法对全流场模型下离心泵的性能进行了分析。阐述了离心泵计算区域的拓扑块生成和结构化网格划分方法;分析了全流场模型和非全流场模型的数值模拟结果,并比较两者产生差异的原因。证实了腔体的存在对模拟结果的影响,得到的全流场数值模拟性能预测精度优于非全流场数值模拟,其流态分布也存在显著的差别,并获得了口环泄漏量与离心泵流量和扬程的关系。将离心泵全流场模型的模拟结果与试验值进行了对比:设计工况点(Qd),离心泵的扬程相对误差为0.79%,效率相对误差为0.9%,模拟结果和试验结果比较接近;在0.2Qd时,扬程相对误差为6.24%,效率相对误差为9.61%,极小流量点的数值模拟精度有待提高。     

四级轴流透平的性能研究

以汉诺威大学四级轴流实验涡轮为对象,利用当今先进的流体数值模拟软件NUMECA对其不同工况下的内部流场进行了数值模拟,获取同一工况下流场损失分布特点,从而为透平的优化提供理论基础。通过改变涡轮出口背压的方法,画出不同工况下该四级轴流透平的特性曲线,并在特性曲线上获得效率最高点、流量最大值点、流量最小值点。并通过对比获得最大效率点处不同级透平的流场损失分布。利用相同的方法分析同一工况或不同工况下整个四级透平的流场的损失分布。     

弹簧板式明渠测流装置的水力特性

为提高灌区精准量水技术,设计了一种基于弹簧形变量与渠道过水断面瞬时流量之间关系的明渠测流装置.该装置的模型试验在矩形渠道中,选定流量范围为20~85 m³/h,共在14个流量工况下进行.结合理论分析及数值模拟对该装置的流量公式、测流精度、水头损失等量测特性进行分析.研究结果表明:渠道过水断面瞬时流量Q同形变量d与参数C₁之和呈5/6次方关系,在量测板板宽为30,40,50,60 mm时Q与d+C₁的5/6次方的线性相关性良好;拟合得到弹簧板式测流装置的流量公式,公式计算流量和试验时的实测流量相吻合,最大相对误差为4.56%,其中板宽40 mm时的最大相对误差为1.43%;量测板上游水位的模拟值和实测值最大相对误差为4.54%,模拟结果与实测结果吻合;量测板产生的水头损失随着板宽的增加而增加,在板宽小于40 mm时,水头损失占比总水头均小于10%.研究成果为弹簧板式测流装置在灌区的应用提供了理论依据.     

矩形薄壁侧堰水力特性试验研究

侧堰作为一种量水设施,精度较高、结构简单、安装和拆卸方便,较易在灌区应用和推广,有很大的研究价值。对不同宽度和高度的矩形侧堰在缓流条件下进行了试验,分析了各工况下矩形渠道侧堰上、下游水面线、能量分布、流量系数等水力因素。结果表明,主渠道侧堰段能量基本保持不变,符合De Marchi的恒定能量假定;主渠道靠近侧堰边壁、中心线以及另一边壁三处的水面波动程度不同,说明侧堰对堰前水流产生影响;基于De Marchi假定和无量纲分析原理得到的流量公式最大相对误差均在±10%以内,满足灌区量水精度要求。