平板闸门自由-淹没孔流统一流量率定模型
发布时间：2021-06-21 18:02
中国灌区的常用量水方法中,利用水工建筑物尤其是闸门量水是目前应用最为广泛的,但传统的闸门过流公式众多,实际应用中需区分自由、淹没流态选择对应的公式,理论值与实测值偏差较大。该研究拟提出一种基于实测数据率定的形式简单、可应用于多种流态的流量计算模型。主要采用三维数值模拟的方法,通过建立实际水闸的三维流体力学模型,研究不同流态下的闸门水力特性,并结合室内模型试验和野外原型观测提出基于实测数据率定的流量计算模型。研究步骤为:1)验证基于实测数据的率定模型的有效性及精确性;2)分析该模型应用于闸门不同流态的率定效果,判断其是否可用于自由及淹没孔流建立统一的流量关系;3)对所提出的模型方法进行野外实测数据验证,并进行误差来源分析。结果表明:1)该模型能够进行区分流态的率定且精度较高,90.63%的数据误差在5%以内;2)该模型能够统一自由-淹没孔流率定,使用仿真数据进行统一率定时数据误差在5%以内的占比为86.67%,使用南水北调中线某闸门8、10、11月份验证模型精度达到77.64%的数据误差在5%以内,95%以上数据误差在10%以内的效果。该模型具有简单、光滑连续的特点,在实际工程应用中建议...
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
闸孔淹没流态示意图
式中ui、uj(i=1,2,3,j=1,2,3）为t时刻点（x,y,z）处的速度分量，m/s;fi(i=1,2,3）为单位质量流体的体积力，m/s2；▽p/ρ为单位质量流体的压强差(m/s2)，其中▽拉普拉斯算子；p为液体压强，kg/(m·s2)；ν为运动黏度m2/s。使用Flow-3D建立上述试验模型1∶1的仿真模型进行计算，结果如图3。仿真模拟与实际测量的结果存在一定误差，在闸孔自由出流与淹没出流的过渡段误差较大。经过误差分析可以得知，试验中闸孔自由出流与淹没出流过渡段下游水位波动的范围较大，可达2～3 cm，不易读取稳定水面线，本试验采用肉眼读取下游最大水深及最小水深，取平均值作为下游水位。
验证结果可以发现存在系统误差，为直观形象地表现系统误差（图3）。随着流量增大，仿真模拟结果对应的流量逐渐变小到小于试验实际流量。这是由于在玻璃水槽明渠流态中玻璃的糙率随着流量的增大而减小[32]，二者存在耦合关系，而仿真模型中取的是绝对粗糙度0.01 mm。造成的误差在可接受范围之内，结果可靠。按相同的建模方法仅改变模型的形状及尺寸，建立的符合实际运行条件模型为单孔平板闸门模型，其尺寸宽×高为4 m×2 m，闸室长度为10 m，闸后底板均与闸室段相同，未设置消能措施，前后渠道边坡为1.5∶1（水平：竖直）。通过改变边界条件上下游水位的设置控制其流态的变化。经过对比各网格密度的计算速度与计算结果精度比较，如表1对网格尺寸进行敏感性分析，得到在选取闸门开度e=0.5 m工况和e=0.8 m工况时，网格尺寸减小到0.08 m时再减小网格产生的流量相对误差较小，继续减小网格导致的计算时间呈指数增长且流量精度提高不明显。所以决定选用网格大小为0.08 m。总共设置45组工况，自由出流工况占13组，淹没出流工况占32组。由于模型上下游均采用压力边界，故在闸门后5 m处设置baffle（软件自带功能）监测过闸流量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃水槽糙率与明渠流态关系试验研究[J]. 尚国秀,张永玲,顾兴龙,柯长文. 水利科技与经济. 2019(02)
[2]宜昌站H-ADCP流量关系率定及应用[J]. 曾雅立,张伟革,樊丽娜,张年洲. 水利水电快报. 2019(02)
[3]双轨式雷达波自动测流系统流量系数率定分析[J]. 陈荣,郑永伟. 人民长江. 2018(S2)
[4]姚江大闸SL流量自动监测站参数率定[J]. 罗艺,孙德勇,莫明辉,赵立锋. 浙江水利科技. 2018(05)
[5]灌区量水设施率定方法研究[J]. 胡荣祥,张亚东,郑世宗. 灌溉排水学报. 2018(S1)
[6]灌区超声波流量计应用研究进展[J]. 王秋良,吴文勇,王振华,廖人宽. 灌溉排水学报. 2018(S1)
[7]测控一体化闸门流量系数率定试验[J]. 田甜,林俊,郭磊. 中国水运(下半月). 2018(02)
[8]节制闸水头开度和过闸流量动态特性分析与应用[J]. 李宛东,田景环,李维东. 农业与技术. 2017(23)
[9]基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量计算模型研究[J]. 曹玉升,畅建霞,陈晓楠,黄会勇. 水利学报. 2016(06)
[10]五种过闸流量计算方法在槐店闸的适用性及改进的杜屿公式精度分析[J]. 徐苏,窦明,米庆彬,石琨. 水电能源科学. 2016(03)
本文编号：3241144
【文章来源】：农业工程学报. 2020,36(22)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
闸孔淹没流态示意图
式中ui、uj(i=1,2,3,j=1,2,3）为t时刻点（x,y,z）处的速度分量，m/s;fi(i=1,2,3）为单位质量流体的体积力，m/s2；▽p/ρ为单位质量流体的压强差(m/s2)，其中▽拉普拉斯算子；p为液体压强，kg/(m·s2)；ν为运动黏度m2/s。使用Flow-3D建立上述试验模型1∶1的仿真模型进行计算，结果如图3。仿真模拟与实际测量的结果存在一定误差，在闸孔自由出流与淹没出流的过渡段误差较大。经过误差分析可以得知，试验中闸孔自由出流与淹没出流过渡段下游水位波动的范围较大，可达2～3 cm，不易读取稳定水面线，本试验采用肉眼读取下游最大水深及最小水深，取平均值作为下游水位。
验证结果可以发现存在系统误差，为直观形象地表现系统误差（图3）。随着流量增大，仿真模拟结果对应的流量逐渐变小到小于试验实际流量。这是由于在玻璃水槽明渠流态中玻璃的糙率随着流量的增大而减小[32]，二者存在耦合关系，而仿真模型中取的是绝对粗糙度0.01 mm。造成的误差在可接受范围之内，结果可靠。按相同的建模方法仅改变模型的形状及尺寸，建立的符合实际运行条件模型为单孔平板闸门模型，其尺寸宽×高为4 m×2 m，闸室长度为10 m，闸后底板均与闸室段相同，未设置消能措施，前后渠道边坡为1.5∶1（水平：竖直）。通过改变边界条件上下游水位的设置控制其流态的变化。经过对比各网格密度的计算速度与计算结果精度比较，如表1对网格尺寸进行敏感性分析，得到在选取闸门开度e=0.5 m工况和e=0.8 m工况时，网格尺寸减小到0.08 m时再减小网格产生的流量相对误差较小，继续减小网格导致的计算时间呈指数增长且流量精度提高不明显。所以决定选用网格大小为0.08 m。总共设置45组工况，自由出流工况占13组，淹没出流工况占32组。由于模型上下游均采用压力边界，故在闸门后5 m处设置baffle（软件自带功能）监测过闸流量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃水槽糙率与明渠流态关系试验研究[J]. 尚国秀,张永玲,顾兴龙,柯长文. 水利科技与经济. 2019(02)
[2]宜昌站H-ADCP流量关系率定及应用[J]. 曾雅立,张伟革,樊丽娜,张年洲. 水利水电快报. 2019(02)
[3]双轨式雷达波自动测流系统流量系数率定分析[J]. 陈荣,郑永伟. 人民长江. 2018(S2)
[4]姚江大闸SL流量自动监测站参数率定[J]. 罗艺,孙德勇,莫明辉,赵立锋. 浙江水利科技. 2018(05)
[5]灌区量水设施率定方法研究[J]. 胡荣祥,张亚东,郑世宗. 灌溉排水学报. 2018(S1)
[6]灌区超声波流量计应用研究进展[J]. 王秋良,吴文勇,王振华,廖人宽. 灌溉排水学报. 2018(S1)
[7]测控一体化闸门流量系数率定试验[J]. 田甜,林俊,郭磊. 中国水运(下半月). 2018(02)
[8]节制闸水头开度和过闸流量动态特性分析与应用[J]. 李宛东,田景环,李维东. 农业与技术. 2017(23)
[9]基于遗传程序的南水北调中线节制闸过闸流量计算模型研究[J]. 曹玉升,畅建霞,陈晓楠,黄会勇. 水利学报. 2016(06)
[10]五种过闸流量计算方法在槐店闸的适用性及改进的杜屿公式精度分析[J]. 徐苏,窦明,米庆彬,石琨. 水电能源科学. 2016(03)
本文编号：3241144
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