U形渠道三角剖面堰水力特性试验与数值模拟

摘要

节水农业的发展离不开精确的水量计量，它能为灌区用水配水提供科学依据，能实现水资源的高效利用，提高灌区科学化管理水平。U形渠道是灌区末级渠道常用的断面形式，具有较强的抗冻胀能力，且水力性能优越，不易淤积，因此，研究结构简单、造价较低、水头损失较小的量水设备对灌区科学用水和节约水资源具有重要的实用价值。本文针对U形渠道三角剖面堰，利用Auto CAD建立三维模型，在Gambit中划分网格，基于计算流体力学模拟软件Fluent6.3，采用RNG k-?湍流模型结合VOF方法耦合，在不同条件下对U形渠道三角剖面堰进行数值模拟计算。主要研究内容和结论如下： （1）基于三角剖面堰的结构及测流原理，开展了U形渠道三角剖面堰的现场试验，并在相同渠道中进行了不同堰高的数值模拟。对比数值模拟和试验测得的水位、流速以及流量，得到数值模拟和现场试验获得的水位和流速变化规律相同。计算得到流量的相对误差最大为4.39%，说明数值模拟的方法用于测流研究较为可靠。 （2）根据不同堰高、底坡以及边坡条件下的模拟结果研究得到了U形渠道标准三角剖面堰的流量公式，得出不同条件下标准三角剖面堰的流量系数基本稳定在0.616-0.646的范围内，取不同条件下的均值0.631为U形渠道三角剖面堰的流量系数。将不同型号渠道中的模拟流量与公式计算得到流量进行对比得到H50D50、H40D30、H80D80渠道中最大相对误差分别为3.90%、4.84%和4.93%，平均相对误差分别为1.84%、3.45%、3.54%，均符合测流规范的要求。 （3）对不同型号的U形渠道弧顶三角剖面堰在不同堰高、底坡和边坡条件下进行模拟，根据模拟结果拟合得到U形渠道弧顶三角剖面堰的流量系数为0.637，建立流量公式并对比计算流量与模拟流量得出相对误差最大分别为3.50%、4.50%和4.78%，相对误差平均值分别为1.53%、2.22%和3.03%，均符合灌区测流的要求，且小于标准三角剖面堰的相对误差。 （4）在不同边坡、底坡以及堰高条件下，分析探究了三角剖面堰上下游的水面线、流速场以及过流流态的变化规律，得到过堰水流的流态从缓流变为急流再过渡为缓流状态。在不同条件下研究了U形渠道三角剖面堰水头损失、临界淹没度和壅水高度的变化规律及其影响因素。其中堰高对水头损失的影响最大且得到标准三角剖面堰最大水头损失为0.057m；壅水高度的主要影响因素为堰高，随着堰高的增大而增大，随着底坡的增大而减小，随着边坡的增大而增大；临界淹没度与堰高、底坡和流量成正比，与边坡系数成反比，且变化范围在0.76-0.96。弧顶三角剖面堰的最大水头损失为0.035m，临界淹没度在0.87-0.97之间，壅水高度最大为0.08m，将弧顶三角剖面堰的水力特性与标准三角剖面堰进行对比，发现弧顶三角剖面堰的水力特性较优。 论文研究过程中验证数值模型的现场试验只在同一规格的渠道中进行，也只基于自由出流进行研究，对不同尺寸参数的渠道以及淹没流情况下三角剖面堰的性能还有待进一步验证。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 背景及意义

（1）研究背景

（2）研究意义

1.2.1 灌区常用的量水方法

1.2.2 主要量水堰的研究进展

1.2.3 数值模拟的研究进展

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

1.3.3 技术路线

第二章 湍流模型与数值模拟方法

2.1 三维湍流模型

2.1.1 三维湍流的特征

2.1.2 控制方程

2.2 数值模拟方法

2.2.1 模拟方法的分类

2.2.2 控制方程的离散

2.2.3 流场数值解法

2.3 网格划分及边界定义

2.4 自由液面追踪

2.5 CFD求解过程

第三章 U形渠道三角剖面堰试验与数值模拟

3.1 三角剖面堰的结构与测流原理

（1）三角剖面堰的结构

（2）三角剖面堰的测流原理

3.2 试验方案设计

3.2.1 试验的基本情况

3.2.2 试验设计

3.2.3 试验方法及步骤

3.3 数值建模

3.3.1 数值模拟方案

3.3.2 三维模型的建立

3.3.3 网格划分

3.3.4 边界与初始条件

3.3.5 计算方法与控制参数的选择

3.4 模型验证

3.4.1 模拟水深与实测水深的对比

3.4.2 模拟流速与实测流速的对比

3.4.3 模拟流量与实测流量的对比

3.5 标准三角剖面堰测流公式

3.5.1 三角剖面堰流量公式的初步推导

3.5.2 测流误差

3.6 弧顶三角剖面堰测流公式

3.6.1 流量公式

3.6.2 测流误差

3.7 本章小结

第四章 U形渠道三角剖面堰水力性能分析

4.1.1 水面线

4.1.2 流速场

4.1.3 水流流态

4.2.1 水头损失

4.2.2 临界淹没度

4.2.3 壅水高度

4.3 三角剖面堰的适用范围

4.4 本章小结

第五章 结论与今后研究的问题

5.1 结论

5.2 本研究存在的不足与今后研究的方向

参考文献

致谢

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