U形渠道直壁式量水槽水力特性试验研究与数值模拟

论文摘要

灌区的量水设施是衡量灌区本身灌溉用水管理水平的标尺,是对用水量监控和计量的基本条件,U形渠道直壁式量水槽由于具有结构设计简单合理、施工方便、坚固实用、精度较高,另一方面又造价低廉,观测快捷,是可选的量水设施之一。通过在U形渠道中（直径为40cm）,选取三种坡度（i:1/600,1/700,1/800）的直壁式量水槽进行试验,试验选取22种工况对水位、流量、流速以及其他数据进行采集和分析,对原始数据进行试验结果分析,并结合现有的U形渠道的资料进行对比。研究U形渠道直壁式量水槽的水力特性,推求流量表达式,观测各工况下量水渠道前后的水流流态;确定各工况下的水位流量关系曲线和计算方法;确定量水渠道前后直段的最小距离;确定渠道现场流量计量的操作方法。选用标准k-ε紊流模型,引入流体体积分数（VOF）模型对U形直壁式量水槽流场进行三维数值模拟,并将模拟结果与实测结果、公式计算结果进行对比,并运用物理试验数据对数值模拟方法得出的模拟数据进行验证,以物理模型的试验数据为基础,采用数值模拟方法对不同坡度的工况进行预测。本文比较系统地分析和研究了直壁式量水槽在U形渠道上量水的特性和实际应用的可行性,从试验研究和理论分析中可以得出,U形渠道直壁式量水槽具有测流精度高、水头损失较小、构造简单、外形美观等优点。初步研究结果表明,U形渠道直壁式量水槽可以作为U形渠道量水设施予以推广,具有一定的实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 量水工作的目的与意义
• 1.2 灌区量水方法简介
• 1.2.1 灌区量水的发展历史
• 1.2.2 灌区常用的量水方法
• 1.2.3 国内外量水槽研究进展
• 1.3 量水槽数值模拟的研究现状
• 1.3.1 紊流数值模拟的研究现状
• 1.3.2 量水槽数值模拟的研究现状
• 1.4 本文研究的目标、方法和内容
• 1.4.1 研究的目标
• 1.4.2 研究方法
• 1.4.3 研究内容
• 2. U 形渠道直壁式量水槽试验方案
• 2.1 试验的目的与内容
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验内容
• 2.2 试验布设与装置
• 2.2.1 试验布设
• 2.2.2 试验系统的组成
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 水工模型的加糙
• 2.3.2 水工模型试验操作方法
• 2.4 试验设计依据
• 3. U 形渠道直壁式量水槽的测流原理分析及水力计算
• 3.1 U 形渠道直壁式量水槽的构造及测流原理
• 3.1.1 U 形渠道直壁式量水槽的构造
• 3.1.2 U 形渠道直壁式量水槽测流原理
• 3.1.3 直壁式量水槽的水流特性
• 3.2 U 形渠道过水断面的计算方法
• 3.2.1 U 形渠道断面参数
• 3.2.2 断面面积计算方法
• 3.3 U 形渠道直壁式量水槽临界水深分析与计算
• 3.4 U 形渠道直壁式量水槽流量公式的推求
• 3.5 U 形渠道直壁式量水槽临界水深与上游水深的量纲分析
• 3.6 本章小结
• 4. 试验研究与量水槽的性能分析
• 4.1 水位——流量关系
• 4.1.1 坡度为1/600、1/700 及1/800 时水位——流量关系
• 4.1.2 坡度为1/600、1/700 及1/800 时临界水深——上游水深关系
• 4.2 坡度为1/600、1/700 及1/800 时上游水头——水深关系
• 4.3 坡度为1/600、1/700 及1/800 时 Fr 数
• 4.4 量水槽前后直段的最小距离
• 4.5 水头损失
• 4.6 流速分析
• 4.7 本章小结
• 5. U 形渠道直壁式量水槽的数值模拟
• 5.1 数值模拟方法
• 5.1.1 标准k-ε紊流模型
• 5.1.2 有限体积法
• 5.1.3 水汽两相流的VOF 法
• 5.2 网格划分及边界条件
• 5.2.1 结构网格和非计算网格
• 5.2.2 U 形渠道直壁式量水槽的网格划分及边界条件
• 5.3 量水槽的 CFD
• 5.3.1 量水槽建模
• 5.3.2 紊流模型与 VOF 模型
• 5.3.3 边界条件及初始条件设置
• 5.4 数值模拟结果
• 5.4.1 流态与流场
• 5.4.2 水面线
• 5.4.3 流速
• 5.4.4 压力分布图
• 5.5 坡度为1/900 水面线的预测
• 5.6 本章小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望和还需要进一步做的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介