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。     

翼柱型量水槽应用于梯形渠道性能试验研究

为探究翼柱型量水槽在梯形渠道量水的性能,在梯形渠道上通过4种不同量水槽收缩比进行水力性能试验。通过对上游水位、流量和收缩比等进行分析,拟合了流量公式;并对测流精度、上游佛汝德数、临界淹没度以及水头损失进行了分析。试验结果表明:翼柱型量水槽在梯形渠道量水性能良好,水位～流量相关度极高,相关系数的平方R~2达0.997 1,推求的流量公式简易,测流平均误差为2.41%,上游佛汝德数小于0.4,临界淹没度达0.85以上,满足《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303-2017)相应要求。     

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。     

过渡段形式对无喉道量水槽水力特性的影响

为了对比不同过渡段形式对无喉道量水槽水力特性的影响,在传统矩形无喉道量水槽结构的基础上,设计了过渡段为圆形和椭圆形的无喉道量水槽,在宽0.6 m,深0.3 m的矩形渠道上进行了一系列试验。试验测量了无喉道量水槽在不同流量下的水位,对水位流量关系进行拟合,对不同流量下的佛汝德数和水头损失进行了分析。结果表明,过渡段形式对无喉道量水槽的测流精度、佛汝德数及水头损失均有一定影响。3种无喉道量水槽的槽前水流均满足测流要求,直线形过渡段无喉道量水槽的测流精度最高,但水头损失最大;圆形过渡段无喉道量水槽的测流精度虽较直线形过渡段的低,但水头损失最小。     

翼柱型量水槽在3种常用渠道上的应用性能对比试验研究

翼柱型量水槽是一种新型量水槽,其应用在灌区具有成本低、便于修建、量水精度高的特点。【目的】探讨翼柱型量水槽在矩形渠道、梯形渠道、U形渠道上的适用范围。【方法】试验在矩形渠道、梯形渠道、U形渠道上分别设计3种收缩比的量水槽,在不同流量工况下进行试验,并对测流精度、佛汝德数、水头损失、壅水高度等进行比较分析。【结果】拟合出矩形渠道、梯形渠道、U形渠道不同收缩比量水槽的流量公式,平均误差分别为0.42%、1.34%、1.65%,均满足规范误差小于5%的要求;翼柱型量水槽在3种渠道上游佛汝德数Fr均小于0.4,在U形渠道上游Fr最小;翼柱型量水槽在3种渠道上最大临界淹没度均大于0.85,应用于U形渠道的最大临界淹没度最高;矩形渠道修筑翼柱型量水槽产生的水头损失占上游总水头比例最小。【结论】翼柱型量水槽可用于灌区节水续建配套,同一比降条件下,矩形渠道与U形渠道衔接位置应用翼柱型量水槽效果最佳。     

新型超声波方形量水槽测流误差试验研究

为提高新型超声波方形量水槽在非淹没出流条件下的测流量精度,加强新型超声波方形量水槽在明渠量测水中的适应性,进而推进灌区信息化建设,在超声波方形量水槽前后加设水力收缩段,并引入水力学公式辅助测流,最后与三角堰进行流量误差对比试验研究.研究结果表明:无收缩段的方形量水槽在淹没出流条件下测流误差低于8%;有收缩段方形量水槽在流量大于0.1 m³/s时测流误差低于8%;流量小于0.1 m³/s时收缩段流量公式计算误差小于5%.收缩段和水力学公式辅助测流的方法有效改善了新型超声波方形量水槽在非淹没出流条件下的测流精度,提高了新型超声波方形量水槽在明渠量水中的适用性,为超声波方形量水槽在实际量水中的应用提供技术保障.这种精度高,适应性强,测流简便的新型量水槽节约了明渠量水所需的人力物力,推动了灌区量水信息化的建设进程.     

基于VOF的弧底梯形短喉道量水槽水力性能研究

为进一步研究弧底梯形短喉道量水槽的水力性能及测流精度,基于RNG k-ε三维湍流模型和VOF(volume of fluid)方法,利用Fluent6.3大型流体计算软件,对不同喉道长度的短喉道量水槽进行了三维流场数值模拟。分析了该量水槽在不同喉道长度及流量下的水面线变化情况,进一步研究了弗劳德数、水头损失等水力性能,并针对同一渠道不同喉道长度的弧底梯形短喉道量水槽建立了平均误差小于5%的统一流量公式,精度较高,简单可用,该研究为后续量水槽测流公式的推导及弧底梯形短喉道量水槽在灌区的进一步应用提供参考。     

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。     

翼柱型量水槽水力特性分析与对比

【目的】为探究翼柱型量水槽在自由出流和淹没出流时的量水性能。【方法】试验观测10种流量条件下,量水槽进口到出口13个测流断面的水位,对自由出流和淹没出流两种工况下的水面线、佛汝德数、测流精度等水力参数进行分析与对比。【结果】自由出流状态下在断面11到断面12之间形成了临界流,流量在0.044 m3/s以下时没有产生临界流从而得到了U形渠道翼柱型量水槽的最小工作流量。翼柱型量水槽过槽流量与上游水深具有良好的相关关系,通过拟合得到了自由出流和淹没出流状态下的流量公式,其中自由出流状态下最大误差为-2.54%,淹没出流下为6.50%,二者平均误差均小于0.3%,满足现行渠道量水规范的误差要求。本文拟合的淹没出流流量公式最大淹没度高达0.958,适用范围较大。此外,U形渠道翼柱型量水槽具有较大的自由出流范围,临界淹没度可达0.890。【结论】经试验确定临界流断面位于距进口约为量水槽4倍翼高处。翼柱型量水槽可满足小比降既成渠道的测流要求,进一步解决了量水槽流量公式在淹没出流情况下测流误差较大的问题。     

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。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水力性能影响因素研究

为了研究不同因素对弧底梯形渠道无喉道量水槽水力性能的影响,基于Fluent6.3大型流体计算软件,采用RNGk-ε湍流模型和VOF方法相耦合,对弧底梯形渠道无喉道量水槽进行了三维数值模拟,并将模拟流量与渠道流量进行对比分析,结果表明二者吻合度较好,该数值模拟方法有效可靠。在确定模拟准确性的前提下,分析了该量水设施在不同喉口收缩比和底坡下的水位流量关系,上游断面弗劳德数,壅水高度,水头损失等水力特性,为量水槽的进一步研究及其优化推广提供了新思路。     

巴歇尔量水槽水力特性试验研究

巴歇尔量水槽是一种通过明渠收缩段来量水的量水槽.试验在底宽0.3 m、深0.5 m、边坡系数为1的梯形渠道中设计了喉道宽0.25m的标准巴歇尔量水槽进行.试验完成了14组不同流量下的水位、水面线和量水槽上下游16个断面的流速量测.拟合出自由流和淹没流条件下水深-流量公式及上游水深与巴歇尔槽水头损失关系,对不同流量下佛汝德数沿渠身各控制断面的变化情况做了分析,从而可确定出临界水深断面位置,最后对大、中、小三个流量下的冲沙情况做了介绍.     

U形渠道便携式板柱结合型量水槽水力性能研究

针对灌区小型渠道数目多、需测控的断面多、而宜采用的移动式量水设备仍不够完善的问题,借鉴移动式薄板量水槽和圆柱量水槽的优点,设计了一种便携式板柱结合型量水槽,在分析量水槽测流机理的基础上,开展原型试验和数值模拟研究,并应用量纲分析法建立测流公式。结果表明,量水槽具有较好的水位-流量关系,上游壅水高度在1. 85～13. 69 cm之间,临界淹没度在0. 70～0. 91之间,槽前弗汝徳数均小于0. 5;板柱结合型量水槽比现有的圆柱量水槽和带尾翼的圆头量水槽体型小,便携度高,流线分布稍差,上游壅水高度稍大,临界淹没度稍低,但能满足灌区测流要求;量水槽测流精度高,平均测流相对误差为2. 07%。     

U形渠道平板闸门过流能力试验研究

【目的】实现U形渠道闸门测流,设计U形渠道平板闸门并进行试验研究,分析其水力性能,建立流量公式。【方法】流量范围10～50 L/s内,控制闸门开度e,进行U形渠道平板闸门过流能力试验,根据沿程水深、佛汝德数Fr、水头损失等水力参数分析了U形平板闸门孔流与堰流分界点的判定依据及过流能力,建立了不同流态的闸孔出流公式。【结果】U形平板闸门孔堰流判定依据相对开度e/H(H为闸前稳定水头)接近1,Fr沿程分布规律较统一,平均相对水头损失达7%,流量公式误差小于3.5%,不易出现自由出流。【结论】U形平板闸门水头损失较小,水力性能较优,流量公式的测流精度较高,可为灌区U形渠道流量测量提供依据。     

U形渠道半圆柱形量水槽水力特性研究

对D60和D40 U形渠道半圆柱形量水槽水力特性进行了试验,共设计8种收缩比进行组合试验。结果表明:该量水槽过流顺畅,水头损失小,试验数据资料呈现极好的相关性,相关系数R2=0.998 4。应用量纲分析法建立的流量公式具有量纲和谐性,拟合的流量计算公式形式简明实用,流量计算平均误差为3.55%,淹没度可达0.93,上游断面佛汝德数Fr≤0.45。     

矩形无喉段量水槽水力特性数值模拟研究

利用Fluent软件,采用VOF法和κ-ε紊流模型对矩形无吼段量水槽水力特征进行三维数值模拟,得到沿程水面线及其流速分布规律,并将模拟结果与实测结果以及公式计算结果进行对比验证,结果显示,模拟结果与二者的吻合度较好.在确定模拟准确性的前提下,对其水力特性进行分析,为矩形无喉段量水槽的设计和优化提供一定依据.     

沟灌简易量水槽水力性能探究

提出了一种针对小流量的、制作安装简易的量水设备--便携式三角形喉道量水槽.该量水槽的原型过流试验在9种流量(0.90,1.44,1.88,2.36,2.84,3.36,3.92,4.57,4.90 L/s)的自由出流和淹没出流工况下进行,设置于断面形式与田间灌水沟相近的U型渠道内,通过测量量水槽内13个控制断面水位,对水面线、傅汝德数、临界淹没度、测流精度等水力性能进行试验分析.三角形喉道量水槽的过槽流量与上游水深具有良好的乘幂关系,复相关系数达到0.999 5;拟合得出自由出流和淹没出流状态下的水深流量公式,计算流量与实际流量比较,平均误差和最大误差均在5%以内.分析了不同流量工况下傅汝德数变化规律,进而确定了临界水深断面产生的具体位置在喉道段后半段,距离量水槽进口为334~355 mm;该三角形喉道量水槽的临界淹没度稳定,范围为0.80~0.86;单个量水槽的流量适用范围为0.90~5.00 L/s.     

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。     

仙桃大垸子泵站流道水力优化设计与研究

为确保仙桃大垸子泵站的安全、平稳、高效运行,运用三维湍流数值模拟对该大型泵站设计工况的进出水流道内部流动进行了水力优化。基于流道三维流场数值计算结果,采用轴向流速分布均匀度、入泵水流加权平均角和阻力系数3个指标综合评价进水流态,采用出口平均流速分布和流道损失综合评价出水流态,揭示了肘形进水流道弯曲段内曲率半径对进水流道水力性能的影响规律,以及屈膝式出水流道出口段外曲率半径对出水流道水力性能的影响规律。结果表明:过大或过小的曲率半径和不平顺的流道线型都不利于优化进出水流道水力性能,出水流道过度段不可避免会出现分离旋涡,屈膝段曲率半径变化越连续,线型越平顺,流道水力性能就越好;线型优化应综合考虑数模计算成果和工程实施等因素。     

高含沙水渠道测控一体化板闸测流试验及其数值模拟

为了了解测控一体化板闸在高含沙水渠道的测流精度是否满足规范要求,选取宁夏南山台扬水灌区18条测流条件较好且具有代表性的支渠,通过对比无喉道量水槽的测流结果,整理分析不同灌水时期测控一体化板闸的测流数据,采用ANSYS Fluent建立物理模型,模拟研究测控一体化板闸的水力性能随含沙量的变化规律,并结合Rubicon测控一体化板闸测流原理,分析含沙量影响测控一体化板闸测流精度的成因.结果表明:当渠道水含沙量较大时,测控一体化板闸与无喉道量水槽的测流结果偏差较大;板闸计量箱内的流速分布、湍动能、含沙量、沙粒粒径均可能影响超声波流量计的测流精度;随着含沙量的增加,测控一体化板闸计量箱内湍动能减小,但流速分布无明显变化.因此,含沙量对测控一体化板闸测流精度有一定影响,主要由超声波在含沙水中的衰减作用以及含沙水的制紊作用导致,而流速分布对其影响较小.