矩形渠道薄壁侧堰试验研究与数值模拟

发布时间：2020-07-01 19:24

【摘要】：灌区量水是一项基础且关键性的技术,对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义。根据我国灌区量水技术与设施的现状及量水任务,研究具有量水精度高、测流范围广、水头损失小、灵敏度和灵活度高的渠道量水设备,是灌区迫切需要的灌溉管理技术之一。近年来,灌区进行了的斗、农渠以及田间工程改造,小型渠道量水设施的研究成为量水技术的研究热点。本文针对灌区小型渠道和田间进水口数量大且缺乏相应量水装置,对渠道进水口进行改造,设计成结构简单的量水侧堰,通过理论分析、原型试验和数值模拟的方法,对侧堰水力性能及影响因素进行了研究。原型试验在长35m、宽0.5m、深0.6m的平坡矩形渠道与侧渠道的分水口处,安装了堰厚0.5cm的18种堰板(6种堰高:7.05cm、10.25cm、13.15cm、15.15cm、17.05cm、20.35cm,3种堰宽:50cm、40cm、30cm),对10种不同流量工况下侧堰水力性能进行了试验,共188组。通过对侧堰结构参数与上下游水面线、断面水深、流速、佛汝德数等量之间的关系研究,取得了以下主要结论:(1)通过试验和理论分析,得到了矩形渠道矩形薄壁侧堰在自由出流状态下的基于正面堰流公式的流量公式,半理论半经验的流量公式满足量纲和谐性,且流量公式简明实用,测流精度较高,平均相对误差为2.05%;且流量与堰前水深间呈现出良好的幂函数关系,直接拟合所得的流量公式平均误差为6.89%。(2)矩形薄壁侧堰堰前的水面线较为复杂,主渠水面线到达堰口附近均呈现先下降后逐渐上升的趋势。矩形薄壁侧堰的临界淹没度较高,在试验条件的范围内,临界淹没度的变化范围为0.71~0.91,均值可达0.78,能在较大范围内保证矩形薄壁侧堰在自由出流状态下工作。侧堰的壅水高度相比量水槽较高,在该试验条件下,当流量在15L/s~41L/s范围时,壅水高度均小于20cm,最大壅水高度为19.46cm。矩形薄壁侧堰上游佛汝德数Fr均小于0.3,符合灌区量水标准。矩形薄壁侧堰的水头损失较高,占上游总水头的50%左右,高于较多的槽类量水装置。对于矩形薄壁侧堰在缓坡的矩形渠道上堰宽的选择,原则上应取宽度较大者为好;在对堰高选择时,应在不影响测流精度的前提下选择高度较低的侧堰。(3)通过FLOW-3D软件模拟了试验条件下矩形渠道侧堰的水力性能,将模拟结果与试验结果进行对比,模拟所得水流流态、水面线变化、流速分布规律等与实验结果非常吻合,说明数值模拟使用的模型可靠、模拟结果准确,可进一步通过数值模拟研究其他侧堰形状的水力性能,为侧堰体型优化提供参考。通过对矩形渠道薄壁侧堰水力性能研究说明薄壁侧堰是适合小型渠道上测流的量水设备,有较好的推广应用前景。
【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】：S277

【参考文献】