矩形渠道侧堰水力性能研究

摘要

灌区量水设施是衡量灌区用水管理水平的重要标尺，是对灌区用水量进行监控和计量的基本条件。研究经济实用的量水设施对灌区节水、缓解水资源短缺有重要的意义。
　　薄壁堰的量水精度一般高于槽类量水设施。侧堰作为一种量水设施，安装在渠道侧边，直接与小型渠道或田间进水口连通，无需改变渠道断面结构，具有体型简单、安装拆卸方便、精度较高等优点，具有很好的应用价值。但目前对侧堰水力特性影响因素以及优化选型等方面的研究还不深入。本文在前人研究的基础上，对矩形渠道6种不同堰高和4种不同堰宽的矩形侧堰在6种不同流量工况下进行144组试验，对矩形渠道7种不同堰顶角度的梯形侧堰在6种流量工况下进行42组试验，并采用FLOW-3D软件对渠道侧堰进行了数值模拟计算。结合试验和模拟数据，分析了侧堰附近水面线、水头损失、壅水高度、断面流速分布、水流流态等水力因素以及流量系数与其影响因素之间的关系，主要研究内容及结论如下:
　　(1)基于无量纲分析原理，对侧堰测流原理进行理论分析，并结合试验数据推导了侧堰测流流量公式;
　　(2)分析了矩形侧堰的试验结果和模拟结果，得到了主渠道堰前水面线和侧堰附近断面流速分布的变化规律，以及堰宽和堰高对矩形侧堰水头损失及壅水高度的影响;对比分析了水面线和断面流速分布的实测值和模拟值，两者吻合较好，说明基于FLOW-3D软件的数值模拟结果比较可靠;拟合得出的流量公式最大相对误差为9.87％，平均相对误差为0.46％，满足灌区测流精度要求。
　　(3)分析了梯形侧堰的试验结果和模拟结果，得到了主渠道堰前水面线和侧堰附近断面流速分布的变化规律，以及侧堰堰顶角度对梯形侧堰水头损失及壅水高度的影响;对比分析了水面线和断面流速分布的实测值和模拟值，两者吻合较好，说明基于FLOW-3D软件的数值模拟结果比较可靠;拟合得出的流量公式最大相对误差为-8.97％，平均相对误差为-3.83％，满足灌区测流精度要求。
　　(4)基于矩形侧堰和梯形侧堰的试验结果和模拟结果，综合分析了侧堰水流流态、水头损失、壅水高度及测流精度等水力特性，对矩形侧堰和梯形侧堰进行了优化选型，矩形侧堰堰宽不宜过小，堰高不宜过高;梯形侧堰堰顶角度不宜过大。针对本文所做的试验，选择的矩形侧堰适宜堰高为10～15cm，适宜堰宽为30～40cm，梯形侧堰适宜堰顶角度为-6°～6°。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 灌区常用量水方法

1．3 国内外量水堰研究进展

1．3．1 常用薄壁量水堰介绍

1．3．2 侧堰水力性能研究现状

1．3．3 侧堰数值模拟研究现状

1．3．4 存在问题

1．4 研究内容及技术路线

1．4．2 技术路线

第二章 试验与模拟设置

2．1 侧堰测流原理

2．2 侧堰水力性能试验

2．2．2 侧堰结构设计参数

2．2．3 测流方法及仪器设备

2．2．4 试验测定项目

2．2．5 试验方法与步骤

2．3 侧堰数值模拟

2．3．1 控制方程

2．3．2 参数设置

2．3．3 模型建立

2．3．4 网格划分及边界

第三章 矩形侧堰水力特性试验及数值模拟

3．1 矩形侧堰试验结果分析

3．1．1 水面线

3．1．2 壅水高度

3．1．3 水头损失

3．2 矩形侧堰模拟结果分析

3．2．3 断面流速分布

3．2．4 侧渠道水流及水舌

3．3 流量公式及测流精度

3．4 小结

第四章 梯形侧堰水力特性试验及数值模拟

4．1．2 壅水高度

4．1．3 水头损失

4．2 梯形侧堰模拟结果分析

4．2．1 水流流态

4．2．2 水面线

4．2．3 断面流速分布

4．2．4 侧渠道水流及水舌

4．3 流量公式及测流精度

4．4 小结

第五章 侧堰体型参数对水力性能的影响

5．1．1 对水流流态的影响

5．1．2 对测流精度的影响

5．1．3 适宜堰高及堰宽范围

5．2 梯形侧堰

5．2．1 对水流流态的影响

5．2．2 对测流精度的影响

5．2．3 适宜堰顶角度范围

5．3 小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

作者简介