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。     

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。     

仿机翼形便携式量水槽水力特性试验与数值模拟

田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术,末级小截面灌区的精准测流则更为关键.该研究在机翼形量水槽的基础上,提出结构更为简单的仿机翼形量水设备.水工模型试验于西北农林科技大学水工与水力学实验室进行,试验渠道为17 m×70 cm×100 cm的矩形断面有机玻璃渠道,量水槽模型均采用空心木制材料制作.试验设计1组翼...     

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。     

小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验

为研究适用于小型渠道以及田间进水口的量水设施,该文拟结合小型渠道分水闸设计体型简单的梯形薄壁侧堰,探讨其水力特性影响因素。设计7种堰顶与水平方向夹角（?9°、?6°、?3°、0°、3°、6°、9°）的梯形侧堰,在6种流量工况下进行42组试验,研究侧堰附近水面线、流量系数与其影响因素之间的关系、水头损失等水力特性。结果表明：建立的水面线函数最大相对误差仅为1.85%,满足测流精度要求;建立梯形薄壁侧堰流量与水头、堰高、堰顶角度的关系式,其相对误差绝对值最大为8.97%,满足测流精度要求;分析不同流量下水头损失及壅水高度,侧堰堰顶角度越大,水头损失及壅水高度越大;得到的上游水深与流量以及侧堰堰顶角度的关系式的决定系数可达0.9以上,便于在量水时根据渠道规格以及灌溉流量确定适宜的梯形侧堰堰型。该研究对梯形薄壁侧堰水力特性进行初步探索,为侧堰在灌区末级渠道或田间进水口的推广提供参考。     

长喉槽进口侧收缩试验及水力计算模型优化

在灌区渠道系统中,长喉槽是一种常用的测流设施,其测量精度依赖于水头损失的精确计算。为了检验其测流精度及有效性并加以改进,该文进行了一系列模型试验。试验结果表明对于进口有侧收缩的长喉槽,现有理论模型的计算流量皆大于实测值。该文认为这是由于现有的基于边界层理论的水头损失计算模型忽略了上游收缩段局部水头损失引起的。在试验数据和分析的基础上,该文引入了进口段局部水头损失?Hcon,对于侧收缩比分别为1∶2、1∶2.5、1∶3的长喉槽,建议局部水头损失系数分别取为0.317、0.263和0.203。在引入进口段局部水头损失后,计算误差从9.59%减少到了4.14%,研究结果为侧收缩长喉槽测流计算精度的提高提供了重要参考。