U形渠道跌水水力性能及防冲结构研究

发布时间：2020-07-13 11:37

【摘要】：灌区量水是实现灌区现代化管理的重要手段,已研发的灌区量水设施种类繁多,但主要适用于底坡小于1/2000的缓坡渠道。山前冲积平原的灌溉渠道底坡较大,一般为1/150-1/200,目前对于底坡较大的U形渠道量水设施研究非常匮乏。跌水是常见的渠道落差建筑物,自由出流跌水上游临界流断面或跌坎处水深与流量关系稳定,可用于渠道流量的测量,具有无新增量水建筑物和水头损失的优点。目前对于利用U形渠道跌水水力性能进行流量测量方面,还缺乏系统深入的研究,很有必要对U形渠道跌水水力性能进行及防冲结构系统研究,为灌区流量量测提供理论指导和参考。本文基于及临界流原理建立了U形渠道临界流断面水力要素关系式,根据布辛内斯克近似的动量方程、堰流理论建立了跌坎上游水深与跌坎处水深(end-depth)的关系式,提出了3种估算自由出流流量的方法,通过在两种U形渠道不同底坡的自由跌水试验及数值模拟,提出了估算自由出流流量的方法,确定了U形渠道跌水水位流量关系式。主要研究内容及结论如下:(1)基于布辛内斯克近似的动量方程和堰流理论,提出了跌坎末端水深比(EDR)和末端水深流量(EDD)两种水位流量理论关系;通过两种尺寸U形渠道试验数据验证,发现所得关系式准确且精度较高,当EDR值在0.74到无量纲跌坎处水深?~*_(0))=0.287之间,其中?~*_(0))和无量纲临界水深?~*_((8)在随?~*_(0))减小之前都在底弧区内。(2)采用计算流体动力学(CFD)软件FLOW-3D中进行U形渠道跌水数值模拟,模拟结果与试验数据吻合;分析了弗劳德数、水深、速度和压力等基本水力参数的沿程规律。(3)由于跌水水舌对下游渠道冲击力较大,影响渠道稳定性,根据模拟结果分析了不同工况下U形渠道跌水水流对下游河道冲击压力的分布特征。当落差较高时,高压较尖锐,压力值较大,建立了最大冲击压力值与落差、流量位置的关系。为了减小水流对渠道的冲击破坏,设计了反堰和阶梯结构两种常见消能结构,并通过CFD模拟试验。反堰形成的消力池不能减小跌水水流的冲击力,但可以使下游水流水深增加、流速变缓;阶梯式结构对下游河道的冲击压力有很明显的消散作用,但结构后的连续流动并不像反堰那样使水流深缓。
【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】：S277

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