矩形渠道分水口水力性能及影响因素研究

发布时间：2020-04-22 13:14

【摘要】：分水口是灌区灌溉渠系常见的过水建筑物,通过调节节制闸及分水闸开度控制主流渠道及分水渠道内的水位,使来流渠道的水流按水量计划经分水口进入侧渠道。为了满足自流灌溉要求,侧渠道进水口处底部高程高于田面高程。由于分水口建成后,分水流量与渠道内水位具有良好的对应关系,可以作为流量量测设施,避免修建特设量水设施产生的水头损失,也可以达到渠道水量的测控一体化,提高灌区现代化管理水平。目前明渠分水口水力特性的研究主要针对分水口处侧渠道与主渠道底部高程相同的情况,灌区渠系布置中多数为侧渠道入口底部高程高于主渠道,因此本研究针对侧渠道底高程高于主渠道时的水力性能进行了研究,试验对3种侧渠底高、5种渠宽比、5个总流量及同一来流量下5种分流比(通过控制主渠末端水位得到不同分流比),共375组原型试验,结合FLOW-3D软件进行的不同分水角条件下的分水口流畅数值模拟,对矩形渠道分水口进行了水力性能研究,分析了主渠道在分水口处的水面线、流向角、断面流速、回流区等水力特性以及侧渠道进口流量系数及其影响因素之间的关系式,主要研究内容及结论如下:(1)基于能量守恒和量纲和谐原理,对侧渠道进口流量公式及流量系数进行了理论分析,得到了侧渠进口流量理论计算公式和影响流量系数的相关因素。(2)对矩形渠道分水口试验和模拟结果进行了分析,得到了主渠道在分水口处的水面线、分流比与相对堰上水头、主渠上下游傅汝德数之间的关系、流向角与相对堰上水头之间的关系;根据量纲分析得到的流量系数影响因素,拟合了侧渠底高与堰上水头的比值与侧渠道进口流量系数的关系式,除分流比小于0.13的情况下相对误差大于12%,其余均小于12%。(3)对比分析了矩形渠道分水口试验数据与模拟数据,水深和断面流速实测值与模拟值吻合较好,相对误差均小于10%,表明利用FLOW-3D对矩形渠道分水口进行模拟结果可信可靠;主渠道在分水口处水面呈逐渐上升趋势,近似于一条壅水形的直线,在分水口下游端处水深达到最大值;主渠道各断面流速分布规律在不同水深下大致相同,高于侧渠底高的主渠水流对低于侧渠底高的水流产生扰动,使侧渠底前的水流具有向上的流速,与上层水流一起参与分流。主渠道下游远离分水口处的边壁湍动能值较大,在分水口上游端水流与边壁发生分离,流速变化剧烈,并形成较多的涡流,湍动能值较大。(4)结合文献中矩形渠道分水口45°分水角的试验数据,利用FIOW-3D对相同工况下分水口进行了模拟,并对流速结果进行了对比,实测值与模拟值相对误差均小于10%,利用FLOW-3D对不同角度分水口模拟结果可信;拟合了各分水角下侧渠道进口流量系数与相对堰上水头之间的关系式,最大相对误差e_(max)均小于11%。
【图文】：

技术路线图

示意图,分水口,参数,示意图

图 2-1 分水口各参数示意图Fig. 2-1 The parameters diagram of water-diversion在本试验研究中，主渠道宽度 BL、底坡 i 及水的密度为定值，粘滞效应对水流的影响较小，可以忽略不计，所以侧渠道流量公式可简化为：Q3=f1(bL,P,v,H,g,ɑ) (2-7)根据量纲和谐原理及 π 定理分析法，对式（2-2）进行量纲分析可得：F(Q3H2√gH,PH,v√gH, H,ɑ)=0 (2-8)上式可变形为：Q3=Hb√2g F1(PH,v√gH,b H,ɑ) √2g H1.5(2-9)由 2-5 和 2-9 可知，流量系数 m 与 P/H、v/√gH、bL/H、ɑ 相关，由量纲原理分析得到侧渠道流量的基本公式，通过试验实测水深等数据，确定流量系数 m 与各影响因素的关系式，将确定好的流量系数代入式（2-5），即为侧渠道测流公式。2.2 分水口水力性能试验
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV135.3;S274.4

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