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。     

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.     

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。     

沟灌简易长喉道量水槽水力性能初探

【目的】针对北方灌区田间沟灌缺乏量水设施的现状,设计一种成本低廉、制作安装简易的新型量水设备—便携式三角形长喉道量水槽,分析其水力性能。【方法】在8个流量(1.03、3.03、5.06、7.00、9.00、11.07、13.07、15.05 L/s)工况下,对该量水槽分别进行了自由出流和淹没出流的水力性能试验,测量了槽内共14个控制断面的水深,分析了不同流量下的水面线变化和傅汝德数(Fr)的变化。【结果】拟合出的不同出流状态下的流量公式中,自由出流状态下的最大相对误差为-3.61%,淹没出流下的为6.54%,平均相对误差均在0.5%以内;自由出流下Fr在断面5到断面7之间等于1,临界水深断面产生的具体位置在喉口段中部偏前段,距离量水槽进口首断面325~385 mm;该三角形长喉道量水槽的临界淹没度可达0.83。【结论】单个便携式三角形长喉道量水槽的流量测量范围为1~15 L/s,喉口长度建议为210 mm,临界淹没度在0.80~0.83之间。     

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。     

矩形渠道翼形量水槽的体型优化及试验研究

为了改善量水槽在平原灌区应用受限的状况,利用鸽子翅膀截面曲线,通过仿生优化设计了一种鸽翼形量水槽,并通过模型试验研究不同流态下量水槽的水力特性.试验结果表明:自由出流时水深-流量的稳定关系在淹没出流时仍然存在;不同流态时,水跃发生位置不同,自由出流时,水跃发生在出口断面附近,淹没出流时,则在喉口附近;自由出流时的测流精度高于淹没出流,测流误差在2%~3%,但淹没出流的测流误差随着流量增大而减小;鸽翼形量水槽的临界淹没度均在0.850以上,最高可达0.933,具有较大的测流范围.鸽翼形量水槽的工作性能良好,可开展标准化设计和工程应用.     

底坎式机翼形量水槽试验研究

机翼形量水槽是一种新型的量水建筑物,为保证量水槽在自由流下工作,设计了底坎式机翼形量水槽。选择3种收缩比,在矩形渠道上进行一系列试验,并运用量纲分析法和不完全自相似理论,拟合得到了量水槽自由流条件下的流量计算公式,拟合度R2=0.9993。结果表明:该公式测流误差小,平均相对误差为1.44%;临界淹没度可达0.88。     

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%。     

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.     

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...     

基于CFD的巴歇尔槽进口连接段结构优化与水动力学特性分析

【目的】探究巴歇尔槽上游进口连接段最优形式。【方法】采用SolidWorks建模软件对不同进口连接段形式(内接圆弧过渡段、外接圆弧过渡段、直面过渡段、无过渡段)建立物理模型,利用ANSYS18.0软件对模型进行网格划分与数值模拟,运用Tecplot后处理软件,在自由出流情况下,分析不同进口连接段形式对水头损失、水面线、测流误差、流速及压强的变化情况,得出输水效率最高的连接段形式。【结果】采取进口连接段过渡的巴歇尔槽相比无连接段过渡的水流流线更平缓;无连接段过渡的巴歇尔槽局部水头损失最大、内接圆弧过渡段形式巴歇尔槽局部水头损失最小。巴歇尔槽测流精度相对误差随着来流流量的增大而减小;当来流流量为0.01 m³/s时,4种设计方案测流误差分别为:16.3、15.9、15.4、17.7;当来流流量为0.2 m³/s时,4种设计方案测流误差分别为:6、5.9、5.2、5.5。4种设计方案中,直面过渡段形式巴歇尔槽测流精度最高;巴歇尔槽纵剖面速度、压强云图变化梯度明显,流速最大处位于喉道段、静水压强最大处位于上游雍水段。湍动能云图数值最大处位于气相所分布的区域,气相相较于液相具有更强的流动性,分子间的能量交换更加剧烈,内能消耗更大。【结论】测流工作应该在来流流量较大时完成、进口连接段加以衬砌,防止因静水压强导致巴歇尔槽形变而产生测流误差。     

基于流速分区理论的半圆形明渠测流点布控方法研究

【目的】针对半圆形渠道进行物理模型试验研究,揭示半圆形渠道沿壁面法线方向平均速度特征位置的分布规律,为非标准断面渠道测流方法提供新思路。【方法】基于不同水力条件下渠道断面流速的量测结果,从流速分区理论出发,利用经典对数公式推导半圆形渠道断面测速法线上平均流速特征位置点的理论计算公式,考虑侧壁对摩阻流速的影响,基于测定特征位置的流速从而得到整个半圆形渠道断面的平均流速。【结果】本研究提出半圆形明渠在过圆心的测速法线上平均速度特征位置的计算公式,与试验结果相比,该公式计算结果所得平均误差在10%左右,该公式能较好地反映半圆形明渠测速法线平均速度特征位置的分布特性;沿测速法线方向分析半圆形明渠断面流速分布精度更高,流速分布规律的分析也更加合理。【结论】平均流速特征位置点理论公式计算结果与模型试验结果较为吻合,公式精度较高,工程中可通过测量特定位置的点的流速进而推求断面平均流速,达到快速准确确定渠道断面流量的目的。     

地埋式内镶贴片滴灌灌水器水力性能模拟研究

[目的]探究地埋式内镶贴片滴灌灌水器的水力性能。[方法]对具有M型双肩过滤出口的地埋式内镶贴片滴灌灌水器进行了不同工作压力条件下的流量测试试验,并采用RNGk-ε湍流模型分别对平面简化流道、实际微弯流道、实际微弯流道+进口、实际微弯流道+M型双肩过滤出口以及实际微弯流道+上述进出口的5种情况进行了相应工作压力下的三维数值模拟。[结果]三维全流道数值模拟流量与实测流量相近,其最大误差为8.87%。无控制的出口结构,水流在出水孔中心处形成旋涡,采用M型双肩过滤机构的出口会在主流两侧产生2个旋流,出水孔中心处无旋涡。[结论]地埋式内镶贴片滴灌灌水器流道模型的微弯对贴片灌水器水力性能有一定的影响。滴灌灌水器采用M型双肩过滤机构的出口有利出流且提高了抗堵塞性能。     

复式断面渠道渠系水利用系数测算方法研究

【目的】研究采用复式断面渠道的灌区渠系水利用系数更精确地测算方法。【方法】采用动水测定法测定了渠道各断面水力要素,之后通过修订后的戴维斯-威尔逊公式和考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得研究区域复式断面渠道渠系水利用系数,对比分析了各渠道水损失以及渠系水损失量。【结果】动水测定法更适合不断流复式断面渠道水力要素的测算;采用标准梯形断面渠道衬砌的方式渠道损失最小;考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得灌区渠系水利用系数为0.75,而戴维斯-威尔逊公式求得灌区渠系水利用系数为0.82,更加接近实际值0.86,精确度提高了9.5%。【结论】由于占地、开挖等影响因素,灌区渠系衬砌后多形成复式断面渠道,灌区渠道衬砌优先采用标准梯形断面衬砌方式。对于这类渠系工程,动水测定方法明显优于典型渠道测量方法,戴维斯-威尔逊公式也更适用于复式断面渠道的渠系水利用系数的测定。