U形渠道斜坎（平顶）量水堰水力性能研究

摘要

灌区量水是合理配置水资源的基础，是推进节水农业发展的重要手段。研发精度高、适应性强的量水设施对节约农业用水，缓解水资源短缺的现状具有重要的意义。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。甘肃河西走廊地区灌溉渠道底坡大，当地小型渠道多为U形断面，底坡一般为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。本文根据U形渠道断面特点，针对渠道底坡较大时的测流要求，设计了9种不同体型的斜坎量水堰和4种不同堰高的斜坎平顶量水堰，在10~40L/s流量范围内进行了过流试验，并通过FLOW-3D软件进行数值模拟，分析了水面线变化趋势、堰高及量水堰坡度对上游壅水高度的影响、流速分布情况、佛汝德数变化等，研究了各断面水深与流量的关系并得出精度较高的测流公式，具体研究内容和结论如下： （1）对斜坎（平顶）量水堰在U形渠道中的测流原理进行研究，通过量纲分析原理结合试验数据得出流量计算公式。 （2）对9种不同体型的斜坎量水堰在8种不同流量工况下进行自由出流试验，分析了不同体型参数的斜坎量水堰测流时水面线变化、壅水高度、上游佛汝德数等水力性能的变化规律；上游壅水高度不超过10cm时，斜坎量水堰适宜收缩比为0.867-0.951；对水深-流量关系最为稳定的断面拟合得到的测流公式，相对误差分布在±7%以内，满足灌区量水设施精度要求。 （3）对4种不同体型的斜坎平顶量水堰在4种不同底坡的渠道、7种不同流量工况下进行自由出流试验，分析发现其达到了对流态进行优化的目的。分析了不同体型参数的斜坎平顶量水堰在不同渠道底坡上测流时水面线变化、壅水高度、佛汝德数等水力性能的变化规律，为了使上游壅水高度和测流精度同时保证，斜坎平顶量水堰堰高不大于12cm较为适宜；用量纲和谐原理结合SPSS软件建立测流公式，相对误差最大达到-4.42%，满足灌区量水要求。 （4）利用FLOW-3D软件对斜坎（平顶）量水堰进行三维仿真计算，并与物理模型试验的结果进行对比，数值模拟所得水面线与试验结果之间的相对误差均在10%以内，表明U形渠道斜坎（平顶）量水堰数值模拟的结果可作为研究借鉴；在此基础上通过FLOW-3D对不同工况下的横断面流速分布、纵剖面流速分布以及佛汝德数等进行分析，得到了不同体型量水堰测流时渠道内流速及流场分布情况。 （5）运用FLOW-3D软件对不同水平段长度的斜坎平顶量水堰过流曲线进行了分析，发现当L2>15cm时水面线变化曲线较为平滑，L2=15cm时水头损失占上游总水头的百分比最小。随着水平段的加长，佛汝德数最大值逐渐增大，临界水深出现的位置逐渐后移，在量水堰的上游渠道和下游渠道段佛汝德数变化情况一致。

目录

第一章 绪论

1.1灌区量水的背景及意义

1.2灌区量水方法与设施

1.3国内外量水堰研究进展

1.4量水堰水力性能数值模拟研究现状

1.5存在的问题

1.6研究内容与技术路线

第二章 U形渠道斜坎（平顶）量水堰试验方案

2.1 试验介绍

2.2 试验方案设计

2.3 U形渠道斜坎量水堰测流原理

第三章 U形渠道斜坎量水堰水力性能及影响因素

3.1 水力性能试验结果分析

3.2 流量公式及测流精度

3.3 基于FLOW-3D的三维数值仿真

3.4斜坎量水堰测流数值模型的验证计算

3.5数值仿真结果分析

3.6 小结

第四章 U形渠道斜坎平顶量水堰水力性能及影响因素

4.1 水力性能试验结果分析

4.2 流量公式及测流精度

4.3 斜坎平顶量水堰测流数值模型的验证计算

4.4 数值仿真结果分析

4.5斜坎平顶量水堰对U形渠道测流的影响

4.6 小结

第五章 结论与讨论

5.1 主要研究结论

5.2 讨论

参考文献

致谢

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