U形渠道圆头量水柱水力性能影响因素研究

【目的】基于临界流原理,研究不同因素对U形渠道圆头量水柱水力性能的影响,为其在我国北方灌区的推广应用提供参考。【方法】对U形渠道上6种喉口收缩比(ε=0.75,0.70,0.63,0.56,0.50,0.44)的圆头量水柱在5种流量(Q=0.015,0.025,0.035,0.045,0.055m3/s)、4种渠道比降(i=1/1 000,1/2 000,1/3 000,1/5 000)下的测流公式、适宜喉口收缩比、水头损失、临界淹没度、测流精度等水力性能进行试验研究。【结果】圆头量水柱的驻点水深与流量间存在良好的指数相关关系,相关系数达0.997。根据试验数据回归分析得到了4种渠道比降的流量计算公式,公式符合量纲和谐原理,满足了测流精度的要求,实测流量与计算流量之间最大误差为6.79%;圆头量水柱的适宜喉口收缩比为0.50~0.70时,上游壅水高度和水头损失均较小,且临界淹没度较高,可达0.90。【结论】圆头量水柱具有结构简单、抗淤堵等优点,适合在我国北方多泥沙水源的渠道中应用。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水力特性的数值模拟

【目的】研究弧底梯形渠道无喉道量水渠槽的水力特性,为灌区水资源的科学管理和可持续利用提供参考依据。【方法】利用Fluent6.3大型计算流体力学软件,基于VOF方法跟踪自由液面,采用RNGk-ε湍流数学模型和PISO算法,对不同收缩比条件下的弧底梯形渠道无喉道量水槽进行三维数值模拟,分析了弧底梯形渠道无喉道量水槽内部流场以及水位流量关系,将模拟结果和实测资料对比验证,同时进一步分析了弗劳德数、临界淹没度等量水槽各项水力性能。【结果】与传统无喉道量水槽相比,弧底梯形渠道无喉道量水槽具有显著优点:(1)量水槽结构简单,过流顺畅且呈良好的流线型;(2)临界淹没度(S)可达0.89,水头损失小,弗劳德数(Fr)0.5,满足测流精度要求;(3)量水槽水位流量关系相关性较好,拟合公式测流平均误差小于5%。【结论】弧底梯形渠道无喉道量水槽结构可为灌区弧底梯形渠道量水提供新的思路和参考依据。     

梯形渠道分流量及其影响因素初探

【目的】研究梯形主渠分水口水流形态,分析分水口附近水面变化规律以及分水口水头损失,建立矩形支渠分流量公式,为灌区量水技术的精确化提供支持。【方法】对灌区广泛应用的梯形渠道90°分水口进行分流试验研究,采用分流模型试验设置了5种梯形主渠来流量Q₁,每种Q₁下又设置5种分流比,共进行25组试验,通过9个控制断面的水深变化分析其水面线变化,规律以及矩形支渠分流量系数（m）与断面Ⅰ傅汝德数（F_r1）的关系;根据矩形支渠分流量Q₂与主渠水深和傅汝德数的相关性,建立Q₂的计算公式,并对上游傅汝德数和分水口水头损失进行了探讨。【结果】当Q₁为26.40和33.17 L/s时,5种分流比下梯形渠道水深的变化规律基本一致,即水深在分水口附近变化很大,水位在分水口口门处有所下降,接近分水口下唇时略有壅水,最大相对壅水高度为上游水深的0.18倍。在同一Q₁下,F_r1与m之间呈较为明显的负相关关系。随着分流比的增大,相对水头损失减小,最大相对水头损失为26%;当分流比大于0.6时,相对水头损失保持在较低水平,有利于支渠引水。【结论】最终建立的Q₂与水位关系式的决定系数大于0.9,操作简便。梯形渠道90°分水口的分流比控制在0.6左右时相对水头损失最小,该分流比为利用分水口实现流量一体化测控提供了参考。     

量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施过流能力的影响

【目的】研究量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施水力性能及对测流的影响，为扩大堰槽组合量水设施的适用性提供参考。【方法】对3种量水槽出口宽度（b=25，35和45 cm）在不同流量（5～71 L/s）下的35种工况进行水力性能试验，通过中垂面30个测点的水深及垂线平均流速变化，分析出口宽度对设施中垂面水面线和佛汝德数（Fr）沿程变化的影响，明确槽内流和堰槽流的流量阈值；根据流量（Q）与量水槽内测点水深的相关性，分析量水槽出口宽度对流量系数的影响，并建立不同量水槽出口宽度下的流量公式。【结果】3种量水槽出口宽度条件下，中垂面水深和Fr的沿程变化均表现出相似的规律，即中垂面水深在上游段表现稳定，进入量水槽后逐渐下降至出口后的薄水层区域；Fr值在上游段相对平稳，保持在0.1～0.2，进入量水槽后逐渐增大至最大值1.2～1.5，且增大速率沿程变大。上游段的水深和量水槽内的水深均随量水槽出口宽度的增加而减小，出口段、薄水层区域和下游壅水区域的水深受量水槽出口宽度影响不大。上游段至量水槽内部过渡扭面段的Fr值随量水槽出口宽度的增加而增大，量水槽内部梯形窄段的Fr值随着出口宽度的增加而减小。同一量水槽出口宽度下，槽内流的流量系数随流量的增加而增大，堰槽流的流量系数随流量的增加而减小。同一相对作用水头下，槽内流的流量系数随量水槽出口宽度的增加而减小，堰槽流的流量系数随出口宽度的增加而增大。基于建立的3种量水槽出口宽度下的流量公式，得到的流量计算值与实测值的相对误差均在2%以内，使堰槽组合量水设施的适用范围进一步扩大。【结论】量水槽出口宽度对上游和量水槽内的水深有明显影响，出口宽度的增加能够增大堰槽组合量水设施的流量阈值及过流能力，并使临界水深的断面位置向下游推移。     

梯形明渠临界水深直接计算公式研究

【目的】寻求梯形明渠临界水深的直接计算公式。【方法】针对梯形明渠临界水深传统计算方法计算过程复杂、误差大、适用范围小的缺点,以迭代法为基础,引入无量纲参数单位水面宽度,利用数值计算方法对梯形明渠临界水深的基本计算公式进行恒等变形,得到快速收敛的迭代公式,并对合适的迭代初值进行选取。【结果】提出了新的梯形明渠临界水深的直接计算公式,对其进行的误差分析结果表明,该公式计算临界水深的最大相对误差仅为0.010%。【结论】与现有公式相比,新建立的梯形明渠临界水深直接计算公式计算精度高、适用范围广,可供工程实际参考应用。     

田间便携式短喉槽的数值模拟

为进一步研究田间便携式短喉槽过槽的水流特性及测流精度,基于临界流原理和RNGk-ε三维湍流模型,利用FLOW-3D软件对喉道宽度为76mm的田间便携式短喉槽在16种工况下的水力特性进行全流场数值计算,获得了时均流场、槽内水流流态、断面流速分布及佛汝德数,并与试验实测值进行对比分析。结果表明:1)模拟流场分布及流态与模型试验情况具有一致性,量测流量范围宽,最大可达40L/s,能够满足田间量水的流量要求;2)水深、断面流速、佛汝德数模拟值与实测值基本吻合,相对误差均小于10%;3)该短喉槽最大水头损失占总水头的12.89%,小于长喉槽最大水头损失占总水头的13%;4)通过回归分析得到了田间便携式短喉槽的上游水深-流量计算公式,其最大测流误差为9.95%,满足灌区量水精度的要求。     

梯形明渠临界水深的模式搜索算法求解

【目的】基于模式搜索算法求解梯形明渠的临界水深。【方法】针对梯形明渠临界水深计算无显函数形式的表达式,及传统计算中的试算法或查图法计算过程繁琐复杂且计算精度不高的现状,引入一个无量纲参数——单位水面宽度,对梯形明渠临界流水深的基本方程进行恒等变形,得到了求解单位水面宽度的超越函数,并证明该方程为单调函数。【结果】将求解临界流水深的问题等价于一非线性优化问题,并用确定性优化方法——模式搜索算法进行求解。【结论】实例计算及误差分析表明,该算法具有收敛速度快和求解精度高的特点,为梯形断面的水力计算提供了一种新思路。     

U形渠道圆头量水柱的数值模拟

为进一步研究U形渠道圆头量水柱过流特性及测流精度,利用Flow-3D软件对U形渠道圆头量水柱水力特性进行数值模拟,将渠道水流流态及水面线的实测值与模拟值进行对比,同时研究不同规格的圆头量水柱流量与驻点水深的关系及水头损失情况,并拟合出其流量公式。结果表明:模拟值与实测值的相对误差10%,两者具有较好的一致性,数值模拟结果可为圆头量水柱的结构优化提供依据。流量与驻点水深有很好的线性相关关系,相关系数0.98;水头损失随收缩比的减小而增大,相比量水槽水头损失较小,但顺流长度过大,水头损失反而增大;根据数据拟合出的流量公式,最大相对误差为9.74%,平均误差为2.66%,满足精度要求。     

抛物线形喉口式量水槽的简化流量公式

用于Ｕ形渠道量水的抛物线形喉口式量水槽原流量公式为隐函数形式,针对其使用不便的现状,通过理论分析推导出了显形式的量水槽流量公式,计算结果与原流量公式比较相对误差值〈０．５％。     

弧脚梯形衬砌渠道抗冻胀及水力合理断面的分析

【目的】推导出适宜于季节性冻土区弧脚梯形衬砌渠道的断面形式。【方法】根据冻土力学、水力学、工程力学理论,分析弧脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征,指出对季节性冻土区弧脚梯形渠道最优断面的设计,要从结构抗冻胀和水力学两方面考虑,以砼衬砌体同时满足水力最佳及抗冻胀性能最优为原则,对弧脚梯形渠道断面的最优形式进行推导。【结果】根据工程实践中常用的取值范围,在综合考虑水力最佳断面及砼衬砌板抗冻胀性能最优的基础上,得到最优断面的几何参数,即水力最佳和抗冻胀性能最优的弧脚梯形最优断面为:渠底宽是设计水深的0.53倍,坡脚圆弧半径是设计水深的0.3倍,坡脚圆弧中心角即边坡板的倾角为51°。【结论】此断面形式不但能适应季节性冻土区渠道防渗抗冻胀工程的实践要求,而且便于机械化施工。     

山区河川基流量计算新方法

本文讨论了山区河川基流量计算新方法,提出了相应见解和计算公式,可供设计部门参考。     

可变流量稳流三通的研制

针对目前市场提供的稳流三通质量参差不齐、灌水均匀度较低、分水量不稳定、出水流量单一,造成所种植作物获肥水量不均匀,作物生长不均,从而影响滴灌工程"增产、节水、高效"效果的问题,设计了一种适应作物多样化的可变流量稳流三通。     

海洋L形立管系统不稳定流简化计算模型

根据严重段塞流4个阶段的特点,针对L形立管系统不稳定流建立了一维准平衡态简化计算模型,其忽略摩阻和加速度的影响,立管中气相穿透过程应用漂移流模型。气相穿透、气液喷发阶段采用特征线方法求解,并引入气相密度偏移修正过程,能够对典型严重段塞流和液塞长度小于立管高度的过渡严重段塞流进行模拟。将模型计算结果与实验室结果以及其他文献的实验数据进行对比,结果表明模型能够对L形立管系统中的两相不稳定流动进行较准确的模拟。（图2,表3,参16）。     

多相流管道输量突增的瞬态效应试验研究

在大型多相流环道上进行了液量增加的瞬态试验，讨论了试验中的瞬态效应。当液相流量快速增加后，压力波首先传播到管道各点，压力发生扰动，一般时间后空隙传播到各点，压力快速上升。压力快速变化向下游的传播速度等于空隙波的波速。在段塞流时，空隙波波速等于液塞运动速度，在分层流时，空隙波波速等于液体实际流速；在气团流时，空隙波波速等于气液混合物的速度。差压的变化较为复杂，在不同流型和液量下的变化不同。     

几种坡度的台阶式溢洪道消能特性试验研究

对3种斜坡(5.7°,19°和30°)的台阶式溢洪道进行了模型试验研究。结果表明,当堰上相对临界水深yc/h≤2.5时,滑行水流、过渡水流和跌落水流消能率的大小不受堰上相对临界水深的限制,而只是相对坝高Hdam/yc和斜坡角度的函数,即随坡度变缓或相对坝高Hdam/yc增加,消能率增大;当坝坡相同坝高相等时,滑行水流、过渡水流和跌落水流之间的消能率差异很小,并且其消能率大小与台阶个数无关;此外,文中还给出了计算消能率的经验公式。     

台阶式溢流坝水流跃离的水力特性分析

【目的】研究台阶式溢流坝泄水过程中产生水流跃离的水力特性。【方法】应用模型试验和量纲分析的方法,分析台阶式溢流坝产生水流跃离的水力特性。【结果】台阶式溢流坝泄水过程中,在跌落水流大部分范围内产生水流跃离现象,其垂直坝面方向的跃离高度为台阶高度的2.6倍,平行坝面方向的跃离长度与台阶高度的比值约为15.6,并在水流回落的水平台阶面上出现压力最大值,其压力水头与台阶高度的比值达到1.88。【结论】当坝坡≥40°,由跌落水流向过渡水流流态转变过程中,在第一级台阶上必然会产生水流跃离,并随坝坡增大水流直接冲击消力池底板。水流跃离的长度、高度随坡度、台阶高度及泄流量的增加而增大;台阶面上的压力大小随水流跃过或冲击而不同。     

水下爆炸引起的水质点运动效应研究

基于流体动力学理论分析了水下爆炸引起水质点速度与压力的关系式,提出水质点流速由瞬时流与滞后流组成,利用水下爆炸自由场压力实测数据的分析了瞬时流与滞后流的空间和时间分布。瞬时流传播距离远但强度小,滞后流强度高但传播距离小,3倍气泡半径内即降至1%。     

两相流水沙分离鳃流场的PIV测试及分析

利用粒子图像测速技术,测试了两种工况下垂向异重流式水沙分离鳃中水沙两相流的速度场,给出了分离鳃内泥沙运动的流速矢量分布图、流速云图及三维流场分布图.对测试结果的分析表明,分离鳃内部形成了泥沙沿鳃片上表面向下运动,清水沿鳃片下表面向上运动的垂向异重流现象,加速了泥沙的下沉.此分析结果与实际观察现象及理论分析一致,进一步探明了分离鳃的水沙分离机理.     

非线性渗流区域井流问题渗流速度的分区研究

为了精确求解两种流态并存区域上井流问题的渗流速度,在非线性渗流区域内对渗流规律中的非线性指数进行了分区研究,通过对水均衡方程用Boltzmann变换进行求解,推导出了线性与非线性渗流区域内渗流速度的解析表达式。     

丁坝对弯道水流影响的分析

采用三维声学多普勒流速仪对弯道内有、无丁坝两种工况下的水流特性进行了系统的试验研究,总结了弯道水流水面横比降、横向环流、流速重分布等特性,重点分析了丁坝对弯道水流流态的影响,进一步证实了丁坝的护岸机理,为相关的工程实践提供理论依据。