用于梯形渠道的仿翼形便携式量水槽水力性能

机翼形量水设施水力条件优、量水精度高,但翼形曲线的复杂性制约其推广,为此,该研究基于结构简单的仿翼形便携式量水槽,探究其在末级梯形渠道的适用性。模型试验设计5组收缩比、7组流量进行水力性能试验,在此基础上,基于FLOW-3D软件对比分析仿翼形与机翼形量水槽水力性能的差异,深入研究不同收缩比对仿翼形量水槽水力性能的影响。研究结果表明：数值模拟与试验结果的水深数据吻合,误差小于4.91%,数值模拟的方法准确可靠;简化后未改变机翼形过流顺畅、雍水高度小等特点;所有工况上游佛汝德数均小于0.5,雍水高度小于7.6 cm,满足测流精度和渠道安全的要求,收缩比在0.60~0.64范围时,量水槽水力性能最优;基于能量方程及临界流原理建立的流量公式精度较高,平均测流误差为2.75%。该研究表明仿翼形保持了原机翼形良好的水力性能,测流精度高且曲线形式简单,便于推广,对于促进灌区末级梯形渠道便携式量水槽的推广具有实用价值。     

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。     

梯形消能墩组合式台阶消能工水力特性

为了提高溢洪道的消能效果,降低台阶面负压,该研究对其提出了消能墩与台阶组合的布置形式,在台阶凸角处布置梯形消能墩。通过模型试验与数值模拟的方法,研究单排布置与单排交错布置下组合式台阶消能工的流态、流速、压强和消能率,并与传统台阶消能工的水力特性对比。结果表明,组合式台阶消能工与传统台阶消能工水流流态基本相同,在凸角布置消能墩产生雍水作用,水流更为平缓;在靠近台阶水面位置,组合式台阶消能工水流流速相较于传统台阶消能工降低5%,并且各体型台阶消能工断面流速遵循底层小,表层大的规律;组合式台阶消能工的台阶水平面与竖直面在靠近凸角附近存在负压,且相较于传统台阶消能工在竖直面上负压范围缩小60%～70%;相对临界水深由0.714增大到1.486时,组合式台阶消能工较传统消能工消能率下降幅度小,且在相对水深较大的情况下消能率仍可达到70％以上,具有更好的消能特性,可为台阶溢洪道的相关工程提供参考依据。     

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。     

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。     

田间便携式平底短喉道量水槽水力特性试验

为了探索研究灌区田间进水口的水量计量,该文在巴歇尔量水槽的基础上设计制作了一种体型简单、成本低的田间便携式平底短喉道量水槽,喉口宽度51 mm、长度774 mm,便于携带和田间安装;通过试验研究了该量水槽的水力性能,观测了24种流量下量水槽内11个控制断面的水位,拟合得到自由出流和淹没出流条件下的水深与流量公式,与实测流量对比,平均相对误差和最大相对误差均在10%以内,满足灌区田间量水精度要求;分析了不同流量下佛汝德数、断面比能沿槽身各控制断面的变化规律,确定临界水深断面位于该量水槽喉口段的中部偏后段;分析了槽内水头损失情况,得知该量水槽最大水头损失占上游总水头的12.10%,相较于长喉道量水槽较小,自由出流条件下槽内水头损失小于淹没出流条件下0.02倍上游总水头。该研究为田间进水口量水设施在中国北方灌区末级渠系的进一步应用提供参考。     

滴灌毛管首部射流脉冲三通水力特性试验研究

该文研究毛管射流脉冲三通水力特性并提出毛管脉冲三通水力设计方法。在脉冲三通2个出口端,安装6组不同长度的毛管(30、40、50、60、70、80 m),在5种压力条件下(5、6、8、10、12 m水头),分别测试6组不同长度毛管的脉冲水力特性,建立描述射流脉冲三通的脉冲水力特性和水头损失的非线性方程,以及脉冲特性和灌水均匀系数的非线性方程,经验证,拟合公式计算值与试验值相对误差不大于1.5%,表明得到的非线性方程可反映脉冲三通的水力特性与水头损失及灌水均匀系数的变化规律。以此为基础,提出设计情况下脉冲三通进口压力计算步骤,通过设计实例表明,基于水头振幅和脉冲频率获得的灌水均匀系数分别为98.13%和98%,绝对误差仅0.13%,可以简便快速地确定不同需水作物条件下毛管脉冲三通的进口压力,预测毛管的灌水均匀系数。该研究结果为射流脉冲三通滴灌系统水力设计提供计算方法。     

淹没效应对不同类型琴键堰泄流特性的影响

为了探究琴键堰在淹没出流条件下的泄流情况及对淹没效应的敏感性,该研究在矩形水槽中对四种琴键堰基本体型（A型：上下游均倒悬;B型：上游倒悬;C型：下游倒悬;D型：上下游均无倒悬）进行了物理模型试验,分析琴键堰在淹没出流条件下的流态随下游水位的变化过程,得到其上下游堰上总水头之间的关系及淹没系数,并进一步分析四种琴键堰对淹没的敏感性以及比较四种琴键堰在淹没出流条件下的泄流量和泄流效率。试验结果表明,随着下游水位的壅高,四种琴键堰堰后依次出现了淹没后的冲击射流、破碎（表面跳跃）、表面波和表面射流流态;在来流量相同的情况下,C型和D型琴键堰在淹没系数S≥0.6时,逐渐发生淹没,且其流量折减系数随淹没系数的增大而减小,而B型和A型琴键堰分别在S≥0.15和S≥0.2时提前进入淹没状态。四种不同体型琴键堰的临界淹没度（Sm）分别为：A型0.5、B型0.3、C型0.7、D型0.65。对比看来,仅具有上游倒悬结构的B型琴键堰对淹没最为敏感,其次是具有对称倒悬结构的A型,而向下游的倒悬结构可以延缓上游的淹没;四种不同类型琴键堰的淹没泄流效率受\     

U型渠道移动式流线型量水槽扩散段水力特性及结构优化方法

移动式量水槽较固定式具有不易淤积、可移动多处重复使用等优点,流线型外形的量水槽水力性能好,量水槽的扩散段对水力性能影响大,然而当前还缺乏扩散段的设计原理与方法方面的研究。为了研究量水槽结构型式对水力特性的影响,为流线型量水槽结构设计提供理论指导,该研究建立D40U型渠道模拟模型,其后用FLOW-3D对35、45和55 L/s流量下的半椭圆+半椭圆、半椭圆+抛物线、半椭圆+圆弧、半椭圆+Myring曲线和鱼形量水槽进行模拟,结合原型试验验证数值模拟效果,进而探讨扩散段设计原则与方法。最后基于isight平台对水力性能较好的半椭圆+ Myring曲线和鱼形量水槽进行结构优化。结果表明,45 L/s流量下数值模拟与试验水深相对误差为0.1%~1.3%,上游、喉口和下游断面流速相对误差分别为0.19%~6.63%、0.06%~6.15%和0.02%~6.22%,模拟结果精度高。5种量水槽上游佛汝德数均小于0.5,最大壅水高度为5.71 cm,均满足测流精度和渠道安全要求。其中,半椭圆+Myring曲线量水槽水头损失和壅水高度最低,半椭圆+半椭圆量水槽临界淹没度最高,佛汝德数最小。量水槽扩散段设计原则为：在略微减少临界淹没度的条件下,扩散段前半段设计为曲率较大的曲线,以降低上游壅水高度;后半段设计为曲率相反且曲率较小的曲线,以改善过流流态,平顺水流,降低水头损失。优化后的半椭圆+Myring曲线和鱼形前半段曲率增大,后半段曲率减小,壅水高度和佛汝德数均有所降低,水头损失分别降低5.5%和6.3%,优化后曲线线型满足扩散段设计原则。研究可为流线型量水槽结构设计与优化提供理论指导。     

侧渠底高对分水口水力特性影响数值模拟研究

目前对灌区分水口水力性能的研究多集中在主渠和侧渠底部高程相等的情况下,对于普遍存在的侧渠底部高程高于主渠时的分流特性缺乏系统研究。该文在试验基础上,利用FLOW-3D软件对侧渠不同底高、主渠来流量的矩形渠道分水口进行了数值模拟研究,将主渠各断面水深、流速的模拟值与实测值进行对比,发现流速变化与实测值变化规律基本一致,相对误差均小于10%,利用FLOW-3D对分水口进行数值计算具有合理可信性。结果表明：分水口处的水面波动受主渠来流的影响,流量越大,波动越大;高于侧渠底高的水流会对低于侧渠底高的下层水流产生影响,使下层水流具有向上的流速分量,参与分水口分流;同一主渠来流量下,随侧渠底高的增加,侧渠进口断面最大流速和水深逐渐减小;侧渠进口断面靠近上游端的区域湍动较大,而在下游端靠近底部湍动能值较小。研究为灌区配水及水量控制提供了参考依据。     

迷宫滴头水力特性的计算流体动力学模拟

建立了迷宫滴头的CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模型,并对滴头的压力流量关系、流道内部的压力和流速分布进行了数值模拟计算。利用原型滴头和滴头放大模型实测值对模型和模拟计算结果进行了实验验证。结果表明,滴头流量压力关系模拟计算值与实测值之间的平均偏差小于5%;滴头放大模型内部压力分布的模拟值与实验值间的平均偏差小于3%。结果还表明,迷宫式滴头流道内压力沿流道长度呈线性变化,在滴头齿尖附近的主流区流速达1.6～2.8 m/s,而滴头齿根附近的旋流区的流速为0.1～0.4 m/s,在其它尺寸保持不变时,滴头齿距对滴头流态指数的影响不大。CFD数值模拟可以为滴头水力性能的进一步研究提供有效的研究手段。     

梯形断面收缩水深的直接计算公式

梯形断面渠道是比较常用的断面形式之一,其收缩水深的计算需求解高次隐函数方程,传统的图解法或者试算法计算过程复杂,费时费力且误差较大,针对此种状况欲提出一种直接计算公式。通过引入无量纲水面宽度,对梯形断面收缩水深的基本方程进行恒等变形,得到了快速收敛的迭代公式,在工程常用范围即无量纲收缩水深在[0.01,0.5]范围内,对公式进行了优化计算,取得了合理的迭代初值。从而得到梯形断面收缩水深的直接计算公式。误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,收缩水深的最大相对误差仅为0.26%,直接计算公式形式简捷、精度高、适用范围广。     

筒装料管道水力输送动边界环状缝隙流水力特性数值模拟

针对农产品长距离输送中存在的运输效率低和输送成本高等问题,提出了一种具有应用前景的农业机械运输方式—筒装料管道水力输送技术.该文基于Fluent软件,采用RNG k-ε 湍流模型、6DoF耦合模型以及PISO算法对动边界环状缝隙流进行数值模拟,分析不同环状缝隙宽度对动边界环状缝隙流场水力特性的影响.同时,对不同环状缝隙宽度条件下管道车在平直管道的运移进行模型试验,并将试验结果与模拟结果进行对比.结果表明:模拟结果和试验结果基本一致,最大相对误差不超过5.3%;动边界环状缝隙流中管道静边界区域压强呈现出进口区域压强降低,中间区域压强升高以及出口区域压强再次急剧降低的变化趋势;动边界环状缝隙流的水力特性不仅受到管道车动边界结构参数的影响,而且还受到管道车动边界上、下游管道内部流场的影响.该研究不仅完善了动边界环状缝隙流的相关理论,而且为进一步探究筒装料管道水力输送中动边界环状缝隙流水力特性提供了一种切实可行的研究手段.     

叠片式砂过滤器水力特性模拟计算(英)

针对微灌工程中灌水器堵塞的问题,通过大量的水力性能测试和反冲洗性能试验,探讨了叠片式砂过滤器当滤管直径一定时的最佳叠片数,提出叠片式砂过滤器的水力性能特性方程和过滤水头损失公式,试验证实所建立的叠片式砂过滤器的水头损失公式比原有经验公式的计算精度高,即在设计流速条件下误差仅为3.18%,为开发研究新型砂过滤器提供参考.     

黄土区小流域土壤容重和饱和导水率的时空动态特征

土壤水力性质是评估降水入渗、径流发生以及土体可蚀性的重要参数。研究小流域尺度土壤水力性质的时空动态特征,对于以小流域为基本单元的黄土高原综合治理具有直接意义,有助于加深对相关生态水文过程的理解。以陕西省神木县六道沟老叶满渠小流域为对象,进行50 m×50 m网格布点(共73个样点),2014年8-10月期间每月测定1次表层土壤容重和饱和导水率,结合经典统计学与地质统计学的方法研究容重和饱和导水率的时空变化规律。结果表明:1)小流域尺度容重的月际变化趋势较为一致,整体呈正态分布规律,饱和导水率的月际变化强烈,呈偏态分布;容重较饱和导水率变化范围较小,变异程度较低;2)小流域尺度容重和饱和导水率在8-10月的半方差可用指数模型进行最优拟合,两者均表现出中等程度的空间依赖性;Kriging插值图表明小流域容重总体差异性较小,而饱和导水率差异显著;8-10月,西坡局部区域、坡顶的容重呈逐月增大趋势,而饱和导水率呈减小趋势;3)Pearson相关性分析表明,8-10月单次测定的容重和饱和导水率之间的相关性不明显;在同一土壤类型下(干润砂质新成土)表现出极显著的负相关关系(P0.01)。     

坡面薄层水流水动力学特性试验

坡面流水动学特性对阐明土壤侵蚀和坡面产沙机理均有重要意义,采用坡面定床阻力试验,定量研究了6种不同粗糙度床面、5种不同坡度下坡面薄层水流水力要素关系及阻力的变化特征,以期揭示坡面薄层水流阻力的内在规律性。结果表明,坡面薄层水流流态指数随坡度呈现出的先减小后增加的变化趋势,当试验坡度小于0.15 rad时,流态指数随坡度的增加而逐渐减小,当坡度大于0.15 rad时,出现相反的变化趋势。流态指数随床面粗糙度呈抛物线变化趋势,其均值为0.376,总体上坡面薄层水流属于滚波流区和过渡流区的范畴;水流弗劳德数与单宽流量和试验坡度均成幂函数关系,临界流对应的单宽流量随粗糙度的增加而增大,随坡度的增加而减小,水流流型处于临界流和急流型态;阻力系数与单宽流量呈幂函数关系,而与雷诺数成反比关系,关于增阻的原因主要与绕流产生压差阻力和坡面滚波流引起的局部阻力有关,并根据薄层水流阻力特征,提出了滚波流区阻力计算公式。研究成果可为坡面土壤侵蚀预报模型构建提供理论依据,从而促进明渠水流理论向坡面水流方面扩展。     

地下滴灌灌水器水力要素试验研究

为了研究灌水器流量变化规律,该文以灌水器工作压力、土壤容重和土壤初始含水率为试验因素,用混合水平均匀设计安排试验方案。应用研制的地下滴灌灌水器流量测试系统,用称重法来获得不同试验方案灌水器流量。根据试验数据,建立了地下滴灌灌水器流量计算经验公式。分析表明:在工作压力不变时,灌水器流量在灌水初期略大,而后减小并趋于恒定,这个变化过程仅1～2 min左右,可认为灌水器流量是不变的;在同一压力下,地下滴灌灌水器流量比地表滴灌减小5%～20%,压力越大,二者值越接近;影响地下滴灌灌水器流量的主要因素是灌水器工作压力,而土壤容重和土壤初始含水率对灌水器流量影响较小。     

曲线边壁竖缝式鱼道池室内部构造优化

为提高鱼道的过鱼效率,在曲线边壁竖缝式鱼道基础上增加内部构造,即在鱼道内壁和底板上布置辅助过鱼装置,组合而成6种不同布置方案,并对每种布置方案进行了相应的数值模拟和模型试验,探究不同布置方案的过鱼效果。结果表明：不同隔板组合的方案1、2、3的上溯成功率分别为36.7%、43.3%、73.3%,其中以中央贯通且尾部边壁只设一组隔板的方案3试验鱼上溯成功率最高;在方案3的基础上引入不同直径圆形柱组合形成方案4、5、6,其相应的上溯成功率分别为56.7%、73.3%、90.0%,其中以圆柱直径为池室入口宽度二分之一的方案6上溯成功率最高,可作为推荐方案,同时发现鱼类游动会大致沿主流进行逆流上溯,当水流形态呈现多股主流流径,流速梯度明显,主流流速衰减平缓合理,且水流回流区较少时,有利于提升鱼类的通过性能。研究结果可丰富了道设计理念和方法,为鱼道设计建造提高参考。