U 形渠道量水平板水力性能试验研究

根据北方灌区渠道底坡缓且灌溉水流多泥沙的现状,该文针对U型渠道设计了平板量水装置。为了探索不同尺寸悬垂薄平板在明渠水流冲击作用下的水力学特性,确定流量与平板偏转角度之间的关系。分析水流流态,将渠道运动水流分为3部分,对平板部分水流应用闸孔淹没出流公式,建立流量计算模型,得出流量与角度的半经验关系式。对流量系数计算模型中的待定系数进行估计,得到了统一形式的流量公式。U型平板测流范围为9～44L/s,经验证,计算流量与实测流量之间最大相对误差为6.9%,平均相对误差为3.2%,其中收缩比0.547、0.439平板测流相对误差均小于5%,满足灌区量水要求。同一收缩比板型,相对水头损失随着流量增大而减小,不同收缩比板型,相对水头损失随着板型收缩比增大而增大,除收缩比0.715平板在小流量(本试验大约为10L/s)测流时,相对水头损失比在10%以上,其余平板测流时相对水头损失均小于10%,其中收缩比为0.439和0.337平板最大水头损失不超过上游总水头6%。经过综合分析,选择0.547到0.439为平板最佳收缩比测流范围。研究可为灌区量水设施的改进提供依据。     

U形渠道量水槽的筛选研究

U形渠道抛物线形无喉段量水槽、直壁式量水槽、圆底形量水槽具有与U形渠道自然衔接,不抬高底坎,过泥沙能力较强,工程量较小,量水精度较高的优点,是U形渠道量水的优化选择,对这3种量水槽在不同尺寸、底坡和糙率条件下的U形渠道的适应性、壅水高度、工程量及其量水精度等技术性能进行系统分析,表明抛物线形无喉段量水槽的适用面广、工程量小、壅水高度较低,量水精度与其它两种量水槽的量水精度相当,是一种高性能的多泥沙U形渠道量水装置。     

U形渠道自动测流仪数据处理方法研究

以陕西省地方标准"U形渠道直壁式测流槽"的流量计算公式为依据制作计算机软件,利用传感器传递水位信息,将计算机软件与硬件有机结合,研制出U形渠道自动测流仪UQ-Ⅰ型自动测流仪.经实验测试,能实现瞬时测流量,累计流量,精度较高.     

U形渠道量水槽的性能分析与筛选研究

U形渠道抛物线形喉口式量水槽、直壁式量水槽、长喉道圆底形量水槽具有与U形渠道自然衔接,无底坎,不淤堵的优点,适合在多泥沙U形渠道中应用,该文采用模拟方法,系统分析了这3种量水槽在不同尺寸、底坡和糙率条件下的U形渠道的适应性、壅水高度、工程量及其量水精度等技术指标,结果表明：抛物线形喉口式量水槽的适用面广、工程量小、壅水高度较低,量水精度与其它两种量水槽的量水精度相当, 能满足灌溉测流要求。因此,在多泥沙U形渠道测流时应优先选择抛物线形喉口式量水槽。     

数值积分法计算抛物线形渠道恒定渐变流水面线

针对目前差分试算法、迭代法及图解法求解水面线存在着计算过程繁复、误差较大的问题,该文通过对抛物线断面渠道恒定渐变流水面线微分方程进行恒等变形,并对引入的特征水深与特征湿周的关系进行分析及计算,重点考察工程实际中常用的特征水深范围为0.6~1.5 m的抛物线形断面渠道,依据最小二乘法进行回归分析将方程中的特征湿周由不可积函数替代为可积分的幂函数,实现了由有限差分逐一断面推算到数值积分法的直接求解。与现有方法相比,该抛物线形断面渠道恒定渐变流水面线简化计算公式具有工作效率明显提高、精度好的特点。实例计算及误差分析表明:在工程实用范围内(特征水深范围0.6~1.5 m)该公式最大相对误差仅为0.17%,对生产实践具有实用推广意义。     

U形渠道正常水深的直接水力计算公式

针对水力性能优良的U形渠道,依据明渠均匀流基本原理,以过水断面水深恰好等于U形底弧弓高时断面过流量作为分界流量Qb,引入断面特征参数和无量纲相对正常水深,采用麦考特优化法,以离差平方和最小为目标,利用SAS软件编程,通过最优化拟合建立了U形渠道正常水深直接水力计算公式。通过误差分析表明,所建公式在渠道过流量Q小于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均小于0.44%;渠道过流量Q大于分界流量Qb时,计算相对误差绝对值均不超过1%,可见公式具有较高的精度,且物理概念清晰、计算方便快捷;该公式不仅可用于解决宽浅式渠道正常水深水力计算,也适用于窄深式渠道正常水深的水力计算,具有较强的通用性,可为渠道工程设计和运行管理提供理论依据和有益参考。     

U形渠道抛物线形量水槽设计多媒件软件的研制

U型渠道抛物线形量水槽的设计过程复杂,采用手工计算繁琐。采用Visual Basic编程,研制开发了 U型渠道抛物线形量水槽多媒体设计软件,使用方便灵活,可根据用户需要对量水槽设计进行优化,极大地简化了量水槽多媒体设计过程,能用于各种标准、非标准 U形渠道无喉道平底抛物线形量水槽设计。     

大型U形混凝土衬砌渠道季节性冻融水热耦合模型研究

依据温度梯度理论,论述了大型U形混凝土衬砌渠道冻胀机理;运用原型观测成果,建立了大型U形混凝土衬砌渠道季节性冻融水热耦合二维模型,采用混合型Richards方程对冻结过程中渠基非饱和土壤水分运移进行了模拟;并用冻结水分运移量、气温和冻深观测值分别建立了冻深、冻胀预测模型.经检验:模拟曲线和预测曲线与原型观测曲线基本吻合.该研究为大型U形混凝土衬砌渠道设计、推广应用提供了理论依据.     

U形渠道圆头量水柱测流影响因素试验及模拟

为研究U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素,基于绕流理论和RNG k-?湍流模型,对18种体型圆头量水柱5种工况下的水力性能进行全流场数值计算,获得了时均流场、断面流速分布及柱后水流流态,并与实测值进行对比。同时,通过模型试验与数值仿真研究了V形尾翼对测流的影响。结果表明：水力参数的实测值与模拟值具有较好的一致性,渠道底坡为1/1 000,流量为45.01 L/s,收缩比及长宽比分别为0.50和2时,驻点处横断面最大流速模拟值与实测值相对误差为1.51%,水深15 cm位置剖面最大流速模拟值与实测值相对误差为0.45%。适宜长宽比的V形尾翼可以有效改善过槽水流：当收缩比为0.50～0.75时,建议长宽比为3/2～2;当收缩比＜0.50时,长宽比应相应增大,但不宜＞5/2。通过回归分析得到的圆头量水柱流量计算公式,在收缩比为0.63时最大测流误差为4.95%,平均误差仅为0.10%,该研究为圆头量水柱在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

机翼形量水槽的试验研究

渠道量水设施对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义,研究具有结构简单、水头损失小、量水精度较高、流量计算公式简明的渠道量水设备,是灌区迫切需要的灌溉管理应用技术之一。该文提出了一种仿真机翼形状的渠道量水设施,在U形渠道中通过12种量水槽收缩比进行了系统的组合试验,试验结果表明：该量水槽过流顺畅,水头损失小,试验数据资料表现出极好的相关性,相关系数为R²=0.9988。应用量纲分析法建立的流量公式具有量纲和谐性,拟合的具有指数形式的流量计算公式简明实用,流量计算平均误差小于3%,临界淹没度可达0.92。     

一种较理想的量水建筑物——平坦V形堰

 平坦V形堰可以用在洪水期和枯水期测流。讨论其选址原则及参数设计,并提出了改进方案,将平坦V形堰中原测压孔改为测井,安装数字雨量计和光电数字水位计,实现自动测量。其中,平坦V形堰工程设计图,已用于工程施工。     

淤地坝泥沙淤积高度对宽顶堰水力特性的影响

为解决淤地坝长期运行,泥沙不断沉积超出设计库容,漫延至溢洪道内并在宽顶堰前堆积从而影响泄流的问题,该研究通过物理模型试验的方法,对不同淤积高度下溢洪道内宽顶堰的水流流态、水面线、流速分布、流量系数等特性进行对比分析。结果表明,随着淤积高度的增加,堰流在保持宽顶堰原有的过流形态同时壅水程度逐渐降低;淤积高度的不同会影响堰前及堰上区域的水面高程和断面流速,堰前水位随着淤积高度的增加略微下降,过流断面逐渐减小,水流流速增大;随着淤积高度的增加,流量系数逐渐增大,即宽顶堰的泄流能力有所增强。因此引入参数相对淤积高度（淤积高度S与堰高P之比）,根据试验数据拟合得到了淤积工况下宽顶堰流量系数经验公式,计算流量与实测流量的平均相对误差为2.7%,满足精度要求,可为淤地坝除险加固工程的相关工作提供参考。     

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。     

弧底梯形渠道无喉道量水槽水位流量关系数值模拟

目前为适应我国多数渠道断面方式和灌区管理方式,开发研制新型量水配套设施对灌区节水起着至关重要的作用。利用Fluent 6.3大型流体力学数值仿真软件,结合有限体积法、RNG k-ε湍流模型和VOF模型,在不同渠道底坡上对不同量水槽水位流量进行数值模拟试验研究。结果表明:（1）量水槽流态上游水面平稳属于缓流,量水槽槽内水流为急流,可知由缓流过度到急流必然会发生临界流,量水槽沿程弗劳德数可知量水槽喉口附近扩散段内产生临界流;（2）弧底梯形渠道无喉道量水槽具有较好的水位流量关系,渠道收缩比ε与渠道比降i对形成单值稳定的水位流量关系有较大的影响,随着渠道尺寸增大同时收缩比ε减小,量水槽水位流量逐渐在较大的底坡范围内形成统一的水位流量关系。（3）流量系数与量水槽宽和收缩比具有较好的线性关系,同时流量系数随R,H、ε的增大而变大,回归分析建立的量水槽流量公式,测流公式平均误差值小于5%,说明弧底梯形渠道无喉道量水槽测流是可行的,满足明渠测流要求。研究成果对灌区渠道量水槽的设计优化提供了一定的参考和建议。     

双流道泵叶轮内湍流的数值模拟

对双流道泵叶轮内3维不可压湍流流动进行了数值模拟。计算采用了雷诺时均N-S方程和修正了的k-ε湍流模型,计算在体贴坐标系和交错网格中进行并采用了SIMPLE-C算法。计算结果首次揭示了双流道泵叶轮内湍流流动的速度分布、压力分布和湍动能分布规律。研究结果可以用来对双流道泵进行性能预测并为双流道泵的优化设计创造了条件     

基于热传递过程的薄层水流流速测量方法及装置

基于薄层水流中的热传递过程,提出测量水流流速的示踪方法,并设计对应的测量系统。在室内试验坡面上,设计不同试验工况(坡度为5°,10°,20°,流量为2,5,8 L/min),以盐示踪法为对照,研究热示踪测量薄层水流流速的可行性及其影响因素。结果表明,测量系统能准确地测得热示踪剂的运移过程;热与盐2种示踪剂测得流速范围为0.408～1.522 m/s,线性拟合斜率为1.006,R²为0.993,表明两者具有显著的线性关系,热示踪法具有较高的可靠性;由于物理属性差异,部分水力工况下示踪剂的释放方式对盐和热的测量结果影响显著,表明此时2种示踪剂测量流速的代表性不同;可采用盐与热联合示踪的方法,取二者测量结果的均值作为薄层水流的平均流速,以提高测量结果的代表性。研究结果可为复杂下垫面、盐渍化和禁用化学成分等特殊坡面上薄层水流流速的准确测量提供新方法和理论参考。薄层水流流速的准确测量对地表水文和土壤侵蚀领域的研究具有重要意义。