弧底梯形短喉道量水槽水力性能数值模拟

摘要

为更好地促进节约用水，实行计量灌溉，使农民的负担减轻，必须得加强灌溉用水管理，其中最基础性和关键性的技术是灌区量水。弧脚梯形与弧底梯形渠道过流能力大、输水能力强、泥沙淤积状况、结构和受力分布均优于传统的梯形渠道断面，但缺乏配套的量水设施，研发适宜的量水设施对促进灌区现代化管理具有实用价值。论文针对这两种渠道断面特点设计了弧底梯形短喉道量水槽，基于Fluent6.3大型流体力学计算软件，利用RNG k??三维湍流模型和VOF(volume of fluid)追踪自由液面的方法，对量水槽的水力性能进行了三维流场数值模拟，得出弧底梯形短喉道量水槽在两种渠道上表现出的水力特性较为接近，实用性均很好，为以后在灌区实际工程中使用及大规模的推广此类量水槽提供了一定的理论基础。论文主要针对以下几个方面进行了研究讨论： （1）对不同收缩比、喉道长度组合的弧底梯形短喉道量水槽在不同底坡下的水流特性进行数值仿真计算，通过将谢才公式计算值与软件模拟值进行比对研究，发现所采用的数值模型和建立的几何模型准确性高，进而使得通过数值模拟方法对量水槽水流性能进行精准剖析成为可能。 （2）得到了弧底梯形渠道中短喉道量水槽的流态分布及水面线变化情况、槽前弗劳德数、沿程弗劳德数的变化规律、水头损失的影响因素等，并针对弧底梯形渠道建立了与渠道上游水位、量水槽收缩比、喉口宽度、喉道长度相关的流量公式，精度较高，满足灌区量水要求。 （3）得到了弧脚梯形渠道中短喉道量水槽的流态分布及水面线变化情况、不同断面流速分布情况，将沿程弗劳德数与断面比能进行对比分析，发现发现临界水深断面位置为量水槽扩散段，其出现的位置喉道长度的增大而后移，对水位流量关系曲线、量水槽壅水高度影响因素进行了探讨，并针对弧脚梯形渠道建立了与渠道上游水位、量水槽收缩比、喉口宽度、喉道长度相关的流量公式，精度较高，满足灌区量水要求。 （4）通过对其他尺寸渠道进行验证，得出所建立的统一公式具有普适性，为后续其他类型或规格量水槽公式的推出提供依据。 本文在研究过程中，由于时间和个人能力的限制，存在一些不足：基于数值模拟方法进行弧底梯形短喉道量水槽的水力性能研究，缺乏水工模型试验和在灌区中实际应用进行对照，后期条件允许的情况下，建议结合工程实际对量水槽进行结构优化和测流公式的进一步修正；在数值模拟过程中未考虑到渠道含沙和漂浮物的影响，后期有条件应进一步研究泥沙等对过流特性的影响以及提出相应的防淤措施；主要针对自由出流工况下的公式流量公式进行了推导，建议后期补充淹没出流相关测流公式；进行流量公式普适性验证时，没有对所取渠道不同收缩比对应的适宜底坡范围进行深入探讨。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 灌区量水的背景和意义

1.2 常用的量水方法

1.3 量水槽研究进展

1.4 存在问题及研究内容

1.5 技术路线

第二章 数值计算方法介绍

2.1 计算流体力学概述

2.2 数值模拟方法

2.3 离散方法及格式介绍

2.4 流场数值解法总结

2.5 体积分数法

2.6 边界条件设置

2.7 本章小结

第三章 弧底梯形渠道短喉道量水槽数值模拟

3.1 量水槽体型设计

3.2 量水槽数学模型

3.3 量水槽模拟结果分析

3.4 本章小结

第四章 弧脚梯形渠道短喉道量水槽数值模拟

4.1 量水槽体型设计

4.2 量水槽数学模型

4.3 量水槽模拟结果分析

4.4 流量公式及测流精度分析

4.5 本章小结

第五章 弧底梯形短喉道量水槽参数选取及综合评价

5.1 弧底梯形短喉道量水槽参数选取

5.2 弧底梯形短喉道量水槽综合评价

第六章 结论与今后研究方向

6.1 结论

6.2 存在的不足以及进一步的研究工作

参考文献

致谢

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