U形渠道半圆柱形量水槽试验与数值模拟

发布时间：2017-06-05 13:14

  本文关键词：U形渠道半圆柱形量水槽试验与数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：灌区渠道量水对加强用水管理和水费合理征收都起到基础性、关键性的作用,是推进节水农业的重要手段。目前我国灌区众多,受地域条件影响,南方和北方灌区的渠道类型以及水文条件差异较大,对量水技术提出了更高的要求。U形渠道在我国北方灌区末级渠系改造得到了大量的运用,显得越来越重要,因此需要研制出经济耐用、便于在U形渠道上推广的新型灌区量水设施。半圆柱形量水槽由渠道上以渠道轴线为中心线修建的半圆柱体构成,结构简单,经久耐用,具有一定的测流精度,适合U形渠道量水,对于在北方灌区渠道比降小、水源多泥沙的U形渠道中具有一定的研究应用和推广价值。本文对半圆柱形量水槽在D40U形渠道上进行了试验研究,并利用Flow-3D三维数值模拟软件对该量水槽的过槽水流进行了数值模拟,对U形渠道半圆柱形量水槽的水力特性进行了分析研究。主要研究内容和结论有:(1)分析了U形渠道下底坎式和无坎式两种形式的半圆柱形量水槽的结构以及测流原理,根据最小比能定理推导出该量水槽临界水深的计算公式,并推导出了U形渠道半圆柱形量水槽的流量系数表达式以及量纲分析表达式。(2)在D40U形渠道对不同形式以及不同收缩比的半圆柱量水槽进行了模型试验,研究该量水槽在不同流量下的上游水深、临界水深、上游佛汝德数、临界淹没度、雍水高度以及水头损失的变化规律。试验结果表明,U形渠道半圆柱形量水槽具有临界淹没度大,雍水高度以及水头损失小等优点;上游水深与临界水深具有较好的相关关系,通过量纲分析法拟合得到的测流公式具有较高的精度;当半圆柱体半径相同的情况下,无坎式的半圆柱形量水槽性能优于底坎式;建议U形渠道半圆柱形量水槽应选择无坎式,合适收缩比范围应为0.36到0.52。(3)对U形D40渠道的不同收缩比半圆柱形量水槽进行建模,利用Flow-3D软件,采用True VOF法和RNG k-ε紊流模型对该量水槽模型进行三维数值模拟,对其得到的水流特性进行了研究。将数值模拟得到各项水流特性与试验结进行对比验证,并对相关物理量进行了分析,结果表明,采用数值模拟方法能够有效模拟半圆柱形量水槽的三维水流特性,为量水槽的选型以及结构优化提供了新的方法。
【关键词】：U形渠道 半圆柱形量水槽 收缩比 数值模拟
【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】：2015
【分类号】：TV672;TV133
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究目的与意义11-12
• 1.2 研究现状12-13
• 1.2.1 渠道量水的特点及要求12
• 1.2.2 常用渠道量水方法12-13
• 1.3 量水槽研究进展13-21
• 1.3.1 量水槽性能研究进展13-16
• 1.3.2 U形渠道的特点16-17
• 1.3.3 U形渠道量水槽简介17-20
• 1.3.4 半圆柱形量水槽研究进展20-21
• 1.4 数值模拟研究进展21-23
• 1.4.1 计算流体力学发展概述21-22
• 1.4.2 三维水流数值模拟研究进展22
• 1.4.3 量水槽数值模拟的研究进展22-23
• 1.5 存在的问题23
• 1.6 本文研究的主要内容和技术路线23-25
• 1.6.1 主要内容23-24
• 1.6.2 技术路线24-25
• 第二章U形渠道半圆柱形量水槽的测流理论分析25-32
• 2.1 半圆柱形量水槽的测流原理25
• 2.2 U形渠道半圆柱形量水槽的基本测流公式25-31
• 2.2.1 断面面积的计算25-27
• 2.2.2 临界水深的计算27
• 2.2.3 流量系数表达式27-29
• 2.2.4 量纲分析法表达式29-31
• 2.3 小结31-32
• 第三章U形渠道半圆柱形量水槽试验方法与设计32-35
• 3.1 试验模型概况32-33
• 3.2 试验方案设计33-34
• 3.3 试验方法和步骤34-35
• 第四章U形渠道半圆柱形量水槽的试验结果分析35-49
• 4.1 水位关系35-37
• 4.1.1 临界水深、上游水头与上游水深的关系35-36
• 4.1.2 上游水深与流量的关系36-37
• 4.2 流量公式的建立37-39
• 4.3 测流精度分析39-42
• 4.4 上游佛汝德数42-43
• 4.5 临界淹没度43-44
• 4.6 雍水高度44-45
• 4.7 水头损失45-47
• 4.8 半圆柱形量水槽形式以及收缩比的选择47
• 4.9 小结47-49
• 第五章U形渠道半圆柱形量水槽数值模拟49-65
• 5.1 数值模拟方法49-54
• 5.1.1 Flow-3D软件简介49
• 5.1.2 基本控制方程49-50
• 5.1.3 紊流模型的选择50-52
• 5.1.4 数值离散方法52-53
• 5.1.5 离散方程的求解方法53
• 5.1.6 自由表面处理方法53-54
• 5.2 量水槽模型的建立54-58
• 5.2.1 三维模型的建立54-55
• 5.2.2 网格划分55-56
• 5.2.3 边界条件56-57
• 5.2.4 参数设置步骤57-58
• 5.3 数值模拟的结果对比58-62
• 5.3.1 过流流态58-59
• 5.3.2 纵剖面水面线59-60
• 5.3.3 上游水深60-61
• 5.3.4 出口流量61-62
• 5.4 数值模拟结果分析62-63
• 5.4.1 佛汝德数62-63
• 5.4.2 断面流速63
• 5.5 小结63-65
• 第六章 结论与讨论65-67
• 6.1 主要结论65-66
• 6.2 不足与建议66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 作者简介71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张尧立;杨燕宁;周志伟;王岩;;PCCSAP-3D程序压力场算法改进[J];计算物理;2012年05期

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本文编号：423827