矩形渠道薄壁侧堰水力性能影响因素初探

我国灌区小型渠道量水装置较缺乏,若对渠道进口略加改造即可成为经济实用、装配简便的量水装置——侧堰,但目前对其研究还很不深入。通过理论及试验的方法对侧堰水力性能及影响因素进行了研究。通过对矩形渠道上6种堰高、4种堰宽的矩形薄壁侧堰在10种流量条件下过流特性试验观测,得到59种工况下9个关键断面27个测点的水深,分析了水面线的变化规律、侧堰上游水深及堰高与流量的关系。根据堰流公式,通过对流量系数Cd的探讨,得到Cd与上游佛汝德数Fr1、h1/P、h1/b具有较好乘幂关系的表达式,拟合得出的具有指数形式的矩形薄壁侧堰流量公式简明实用,流量计算的平均误差为3.85%,最大误差小于7.16%。     

矩形侧堰水力性能参数研究

为研究矩形侧堰自由出流水力性能,探索侧堰泄流公式,试验采用控制变量法,设置不同堰高、堰宽,研究流量与各水力性能参数的关系.结果表明:①理想状况下,矩形侧堰泄流时水流的总能损失在10％以内,能量损失主要体现在堰口处;②水面线在堰口近上游端低于远离上游端;③侧堰流量与堰宽、堰上水头成正比.流量系数md与弗汝德数Fr1,上游水深与堰高比h/P,上游水深与堰宽比h/b关系显著,与弗汝德数Fr1正相关,与h/P,h/b负相关.得出0～30 L/s流量范围内侧堰泄流公式,Q=Fr10.162(h/P)-0.113(h/b)-0.045b√2 H 3/2,实测流量与计算流量误差范围在-0.01％～6.86％之间,符合测流误差范围,测流精确.研究成果可为侧堰测流提供理论依据,对灌区量水设备、方法的发展和改进具有重大意义.     

挡水壁厚度对收缩薄壁堰流量系数影响的实验研究

在实际工程中，一些矩形薄壁量水堰采用较厚的混凝土墙作为侧收缩堰的两侧挡水壁，导致过流堰板与挡水壁厚度不同。这一改动增加了量水堰的安全性，但与规范中的标准情况不同，可能对过流能力产生一定的影响。为了研究矩形收缩堰在考虑挡水壁厚度情况下的流量系数计算方法，研究进行了收缩比为0.5时的6个厚度比的侧收缩薄壁堰在一系列流量下的物理模型实验，并对水舌形态进行了观察与记录。实验表明收缩堰的挡水壁厚度对流量系数有一定影响。经对比后发现，测量规范中现有的收缩堰的流量系数计算公式不能很好体现出边壁厚度的影响。因此，依据实验结果，本研究采用回归关系方法建立了考虑厚度比D/d和h/P的收缩堰流量系数计算公式，可供工程中参考。     

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。     

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。     

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。     

迷宫堰流量系数的探讨

迷宫堰与直线堰相比，在相同堰上水头条件下，可大幅度提高过流能力。从因次分析的角度阐述了迷宫堰流量系数的影响因素，并在分析讨论了前人的几种迷宫堰流量系数计算方法的基础上，拟合出迷宫堰流量系数计算公式，可为实际工程应用中提供方便。     

保水堰后增加明槽段对水体进气及水流流态的影响

针对长距离分段低压输水系统中堰井后带明槽段与不带明槽段两种输水单元,采用VOF模型(Volume of Fluid model)进行二维数值模拟,研究分析两种输水单元保水堰流量系数、堰后水体进气量、气泡运动规律及下游有压箱涵流速分布状态等。结果表明:堰后增加明槽段基本不影响保水堰的流量系数及堰后水体的进气量,堰后水体进气量随淹没度减小而增大;增加明槽段能显著减少气体进入下游有压箱涵,能限制堰后旋滚向下游有压箱涵发展,并且能调整堰后底部主流使之平顺的进入下游箱涵,使下游箱涵中水流流速分布更加均匀。     

短喉堰淹没出流流量系数试验研究

根据短喉堰在淹没状态下流量计算公式，确定了短喉堰在淹没出流情况下的流量系数与堰上下游水深、堰高、堰渠宽度比有关；通过模型试验，对实测数据进行二元回归分析，得到了淹没出流情况下流量系数的经验公式，并进一步分析了计算的误差。上述结论进一步拓展和完善了前人的研究工作，对于指导实际应用具有重大意义。     

矩形渠道分水口水力性能试验研究

为了研究矩形渠道含堰坎分水口水力性能,对不同渠宽比下的分水口进行了试验研究,试验选取了5种流量,每个来流量下通过调节下游水深获得不同分流比,总共75组试验,测量了分水口附近的水深等水力因素,获得了分水口附近的水面变化曲线,分析了影响分流比的因素,根据堰流公式,拟合了各渠宽比下流量系数与相对堰上水头之间的关系式.结果表明:分水口处的水面变化在不同流量下变化规律大致相同,随距分水口距离的不同,水面变化也不同;同一渠宽比、流量下,分流比与相对堰上水头呈线性关系,随相对堰上水头的增加而增加,随主渠道上下游傅汝德数的增加而减小;拟合得到的流量系数计算公式精度较高,相关系数大于0.9,满足测流精度要求.该研究对分水口处水力性能进行了初步的研究,以期为灌区量水提供参考依据.