U形渠道跌水水力性能及防冲结构研究

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?e?=0.287之间，其中?e?和无量纲临界水深?c?在随?e?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。

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ABBREVIATIONS

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Overviews

1.2Literature Reviews

1.2.1Flow Measurement Devices

1.2.2Free Overfall Flow Measurement

1.2.3Impacts of Free Overfall

1.2.4Computational Fluid Dynamics

1.3Research Contents and Objectives

CHAPTER 2 MATERIALS AND METHODS

2.1Scenarios and Methodology Framework

2.2U-shaped Sections

2.3Experiment Setup and Procedures

2.4Theoretical Approaches

2.5Numerical Modeling

2.5.1Governing Equations

2.5.2Turbulent-viscosity Model

2.5.3Surfaces Modeling

2.5.4 Meshing

2.5.5Boundary Conductions and Parameter Inputs

CHAPTER 3 HYDRAULIC CHARACTERISTICSOF U-SHAPED CHANNEL FREE OVERFALL

3.1Experiment Results

3.2Model Calibration and Validation

3.3.1Flow Pattern

3.3.2Free Surface Profiles

3.3.3Velocity Distribution

CHAPTER 4 U-SHAPED CHANNEL FREE OVERFALL FLOW MEASUREMENT

4.1.1 Dimensional Analysis

4.1.2 Momentum Theory

4.1.3Weir Flow Theory

4.1.4 Models Comparisons

4.2Supercritical Flow Regime

CHAPTER 5 FREE OVERFALL IMPACTS ON DOWNSTREAM CHANNELAND ENERGY DISSIPATION STRUCTURES

5.1Maximum Pressure on Downstream Channel

5.2Distance from Brink to Waterfall Push Area

5.3Impact Characteristics

5.4Free Overfall Impact Reduction

CHAPTER 6 CONCLUSIONSAND RECOMMENDATIONS

6.1 Conclusions

6.2 Recommendations

参考文献

APPENDICES

致谢

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