山西省标准化U型渠道流量量测装置测流性能及水力特性研究

摘要

在灌区灌水设施不断发展的过程中，U形渠道能显著提高渠系水利用系数及利用率，并具有较好的防渗和抗冻胀性能，对于改善灌区灌水条件，促进灌区节水意义重大。但在其应用的过程中，灌区标准化、高精度的定量量水是随之产生的一个主要问题，目前关于灌区斗渠以下的各级渠系量水设施很少，分散到农户的水量很难计量。因此研发一种造价低廉、应用简单且计量准确的量水装置就显得尤为必要。 本文基于山西省水利厅十二五重大科技攻关项目“山西省灌溉渠系量水设施率定及定型设计研究”，针对目前灌区末级渠系量水中存在的问题，结合山西省标准化U型渠道的特点，研发了一种板式流量量测装置，用来量测标准U型渠道内的输水流量。 本文在综合分析国内外 U型渠道量水方法研究的基础上，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法对标准U型渠道板式流量量测装置的测流性能及其水力特性进行了研究。主要研究结论如下： （1）针对灌区末级渠系量水中存在的问题，结合山西省标准化U型渠道的特点，提出了一种板式流量量测装置，该流量量测装置具有结构简单、操作便捷、适应性强、携带方便、量水精度高、流量计算公式简明等特点，对于山西省灌区节水和可持续发展具有重要意义。 （2）采用动量定理与力矩平衡相结合的方法，分析了板式流量量测装置的测流原理，并通过量纲分析得出了板式流量量测装置在多因素影响下的流量量测计算公式为2521 Q?Kg(L sin?)。 （3）通过试验对板式流量量测装置的测流性能进行了研究，得出了同一渠道坡度下板式流量量测装置量测的水流流量Q与测角板角度sin2.5θ的关系为正相关的线性分布关系，其经验公式形式为Q=ksin2.5θ；同时也得出了不同坡度下，板式流量量测装置量测的水流流量与测角板角度的关系，其经验公式形式为Q=ksin2.5θic。 （4）通过试验研究了板式流量装置在流量量测过程中，测流装置附近的上下游断面渠道水流的流速特性，研究发现：板式流量量测装置对渠道上游断面的流速分布影响要小于渠道下游断面；各断面的流速分布都是以渠道的中垂线为中心，越靠近中垂线流速越大，最大流速均不在自由表面处，而是位于水面以下某一位置，位于板式流量量测装置附近下游的最大流速位置（0.6倍的水深位置）都要低于位于板式流量量测装置附近上游的最大流速位置（0.8倍的水深位置）；通过试验和理论分析发现，抛物线型公式是适合板式流量量测装置测流过程中各过水断面的垂向流速和横向流速分布的计算公式。 （5）对板式流量量测装置在U型渠道测流过程中的渠道内水流流速进行了模拟研究，发现 U型渠道板式流量量测装置附近的上下游断面横向流速从渠道中心位置到渠道壁面呈现逐渐减小的变化趋势；U型渠道板式流量量测装置附近的上下游断面中心垂向流速分布随着水位的升高，呈现先增大后减小的变化趋势；分析了本文所述流量工况下板式流量量测装置对渠道内水流的最大影响范围是距板式流量测流装置上游0.75m到距板式流量测流装置下游1.24m之间。 （6）对不同工况下U型渠道板式流量量测装置测流过程中渠道内水流的水位沿程变化情况进行了模拟研究，发现在任一渠道坡度和流量工况条件下，U型渠道的沿程水位高程均呈现逐渐降低的变化趋势；同一坡度渠道情况下，随着流量的增加，上下游水面线的变化幅度逐渐增大。 （7）通过数值模拟得到了U型渠道水面线沿程变化、水位流量关系、流量角度关系，并与试验研究结果进行了对比分析，发现数值模拟结果与试验研究结果基本一致。因此，采用数值模拟的研究方法分析 U型渠道板式流量量测装置上下游断面水流的水力特性是可行的，该模拟方法对于优化板式流量量测装置结构具有重要的参考价值。 本文的研究成果为U型渠道板式流量量测装置的推广应用提供理论依据。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究进展

1.3本文的研究内容及技术路线

第二章 U型渠道板式流量量测装置结构设计及测流原理

2.1 板式流量量测装置的结构设计

2.2板式流量量测装置的测流原理

2.3 板式流量量测装置量测流量公式的量纲分析

2.4 本章小结

第三章 标准U型渠道板式流量量测装置试验系统及试验方案

3.1 试验系统

3.2试验方案与测点布置

3.3 标准U型渠道过水断面水力要数计算公式

第四章 标准U型渠道板式流量量测装置测流性能试验研究

4.1 标准U型渠道板式流量量测装置量测流性能试验研究

4.2 标准U型渠道板式流量量测装置测流试验结果误差分析

4.3板式流量量测装置的野外试验

4.4 本章小结

第五章 标准U型渠道板式流量量测装置水力特性试验研究

5.1 标准U型渠道板式流量量测装置上下游各过水断面的流速分布

5.2最大流速点位置分析

5.3 标准U型渠道板式流量量测装置上下游各过水断面的垂向流速分布

5.4 标准U型渠道板式流量量测装置各过水断面的横向流速分布

5.5 本章小结

第六章 标准U渠道板式流量量测装置水力特性数值模拟

6.1标准U渠道板式流量量测装置数学建模

6.2标准U渠道板式流量量测装置数值模拟

6.3 模拟结果验证

6.4 本章小结

第七章 结论与建议

7.1 结论

7.2 建议

参考文献

致谢

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