小流量土渠简易长喉道量水槽水力性能研究

发布时间：2020-06-16 17:55

【摘要】：灌区量水是灌区实现科学水量调配、节约用水、定额管理的重要前提和基础,对量水技术的推广实施十分重要。田间灌溉的水量及时间与作物需水量准确配合时,可以达到节水高效生产的目标,在作物需水量方面已进行了大量科研工作,取得了丰富的成果。但目前对于量水技术的研究大多针对于规格渠道,很难适用于田间的地面情况与流量范围,难以实现对进入灌水沟中的小流量计量,无法精确判断作物需水量与实际灌溉用水量之间的关系。因此,针对中国北方灌区应用最为广泛的田间灌溉方式沟灌、畦灌,提出一种适用性强且成本低廉的新型量水设备来满足其量水需求尤为重要。本研究提出的小流量土渠简易长喉道量水槽外轮廓为贴近灌水沟形式的梯形断面,喉道断面为三角形,适用于田间灌溉小流量下的精确量水。通过量水槽原型过流试验及数值模拟的研究方式,探究小流量土渠简易长喉道量水槽在不同运行工况、不同结构参数下的水动力特性。主要研究内容及结论:(1)在已有量水槽研究的基础上,结合北方灌区田间灌水沟的形式尺寸与流量范围,针对不同的运行工况,设计了两种体型参数的小流量土渠简易小流量土渠简易长喉道量水槽。由临界流原理及能量守恒推导得出了小流量土渠简易长喉道量水槽流量公式形式。(2)在1/10000的底坡下进行了小流量土渠简易长喉道量的原型过流试验,分析了不同流量和出流条件下的水面线、傅汝德数、断面比能的沿程变化规律;确定了临界水深断面产生的具体位置在喉道段中的位置,进而得出了量水槽喉道长度的建议优化值;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%之内;量水槽1、2的临界淹没度数值稳定分布在0.80~0.86之间,随流量变化小。(3)采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对小流量土渠简易长喉道量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,试验水深值与模拟值的最大相对误差均小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高。依靠数值模拟的优势深入分析了量水槽内部流场,得到纵向、横向时均流速以及紊动强度的分布规律。(4)通过1/500~1/10000范围内5种底坡的原型试验,探究底坡变化对小流量土渠简易长喉道量水槽水力特性的影响,不同底坡下量水槽内沿程水面线总体上比较接近,底坡的变化对喉道控制段水深的影响整体较小,通过各底坡下断面5处的水深流量关系,得到底坡在1/500~1/10000范围内的通用测流公式,且具有较高的测流精度。采用数值模拟的方式增加设计了三种侧壁边坡系数的量水槽,进一步探究侧壁的倾斜度对量水槽水力特性的影响,得到各量水槽的流量适用范围和地面情况,并分析了底坡变化对水面线、纵向流速的影响;通过计算临界水深产生的位置针对各量水槽得出喉道段长度的优化建议。
【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
【图文】：

长喉槽,秋菊,量水槽,宽顶堰

渠道类型和测流工况下的研究使量水槽在近些年得以不断改进和发喉道量水槽研究指出长喉道量水槽是在 1888 年 Bazin 的宽顶堰试验基础上演变喉槽与宽顶堰同属一类水力特性结构（沈波等 2003）。Ackers、H36 年结合边界层理论，提出了梯形断面长喉道量水槽的常规设计方到了国际标准组织认可（Ackers, P 等 1978），Reploge 后引入流速的计算机模型设计方法，适用于不同形状的控制断面和渠道类型，提高（Replogle, J.A 等 1987）。之后 Bos（1981）、Clemmers（198槽进行了更进一步的探究，完善了其在淹没度、水头损失、流速系究（Clemmens, A. J 等 1984）。进入二十世纪，国内孙秋菊等人基了长喉槽的软件程序，集工况计算、体型设计、绘制出图于一体，况下的长喉槽设计（孙秋菊等 2000）；王长德等人对长喉槽水头损了优化研究。近些年，依靠信息化设备及传感技术的快速发展，吉插式长喉槽测流计，得到过流水力参数的数字化显示并实现数据传03）。发展到目前长喉槽的研究成果十分丰富，理论分析及体型结构研

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地面情况下采用长喉槽的形式来设计量水槽无疑是最为合适的量水槽水槽较长喉槽比喉道段长度大为缩减，同样由上游收缩渐变段散衔接段三个主要部分组成，如图 1-2（Parshall, R. L1928）。缩减，过槽水流水面线的变化曲率较大，不会在喉道段内形成，且相对容易受到下游水深的影响，临界淹没度较长喉道量水度上会影响测流精度。Parshall 槽作为最典型的短喉槽（Par Singh 等 2014）研究十分成熟，已经广泛应用于各领域的水量收缩与竖直向收缩，标准化程度高适应多种测量要求，但是其本较高。近年来由于自身结构上的一些缺陷，以及更加优良的，Parshall 槽的应用程度受到一定限制。肖苡弨等在传统 Parsh良，提出可移动携带的短喉道槽来用于田间进水口处的量水，，针对性地改进了体型参数，水力性能良好满足田间末级量水）。

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