机翼形量水槽标准化试验研究与数值模拟

论文摘要

灌区量水是合理调度灌溉水资源,正确执行计划用水,加强经济管理的重要措施。因此,研究和推广结构简单、量水精度高、水头损失小、造价低、操作方便快捷的量水设备是促进灌区发展的紧要任务。本文对国内外灌区常用量水设备的特点、研究状况及其适用条件进行了总结,针对目前灌区量水槽标准化中存在的问题和不足,采用理论分析与实体模型试验和数值模拟相结合的方法,对机翼形量水槽的标准化进行了研究。实体模型试验采用上游矩形渠道与下游U形渠道相结合的形式,量水槽修建在矩形渠道内,选择四种收缩比的量水槽,在西北农林科技大学北校水工厅进行试验。通过对试验结果进行分析,得到了自由出流条件下标准化机翼形量水槽具有量纲和谐形式的流量公式。该公式简明实用,测流精度较高,量测流量平均相对误差为1.89%,符合量水规范的要求。同时得出在试验收缩比范围内,标准化机翼形量水槽的临界淹没度在0.8～0.9之间,能保证量水槽有较大的自由出流范围。量水槽上游水流佛汝德数均小于0.5,满足槽前水流为平稳缓流的要求。应用Flow-3D软件建立不同工况下的机翼形量水槽三维数值模型,进行水位流量的模拟计算,得到了不同工况下的量水槽过流流态、模拟计算水深值及自由水面线等水力参数,通过与试验数据进行对比分析,得出应用Flow-3D软件可以准确的模拟机翼形量水槽的水力特性,本文所建立的数值模型对量水槽水力特性的描述具有可靠性和可参考性。为了探讨渠道底坡对机翼形量水槽收缩比选择的影响,利用Flow-3D软件建立数值模拟试验方案,对不同底坡的U形渠道进行数值试验,初步得出了底弧直径40cm,外倾角14°的U形渠道上以收缩比为指标的标准化机翼形量水槽选配模式。底坡较陡的渠道应选择较大的收缩比。本文在标准化理论、模型试验和数值模拟分析的基础上,提出了机翼形量水槽的标准化结构形式。通过总结前人对机翼形量水槽的研究成果,得出了其设计原则和方法以及对施工测量的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 灌区常用量水设备
• 1.3 量水槽的研究发展概况
• 1.4 量水槽标准化存在的问题
• 1.5 本文研究的意义和内容
• 1.5.1 本文研究的意义
• 1.5.2 本文研究的主要内容
• 第二章 机翼形量水槽的测流理论
• 2.1 机翼形量水槽的测流原理
• 2.2 机翼形量水槽的结构形式
• 2.3 机翼形量水槽的流量公式
• 第三章 机翼形量水槽的标准化模型试验
• 3.1 机翼形量水槽的标准化模型试验
• 3.1.1 试验介绍
• 3.1.2 试验方案设计
• 3.1.3 试验步骤
• 3.2 试验结果分析
• 3.2.1 标准化模型试验流量公式
• 3.2.2 测流精度分析
• 3.2.3 临界淹没度
• 3.2.4 佛汝德数
• 3.3 小结
• 第四章 标准化机翼形量水槽三维数值模拟
• 4.1 计算流体动力学概述
• 4.2 Flow-3D 软件介绍
• 4.3 数学模型与求解方法
• 4.3.1 控制方程及其求解方法
• 4.3.2 自由液面的处理（True VOF 法）
• 4.3.3 三维模型建立
• 4.3.4 数值计算
• 4.4 数值模拟结果分析
• 4.4.1 流场及流态
• 4.4.2 水面线
• 4.4.3 流量、上下游水深
• 4.5 小结
• 第五章 标准化机翼形量水槽选型的数值模拟
• 5.1 数值模拟试验研究方案
• 5.2 数值试验模拟结果
• 第六章 机翼形量水槽的标准化体系研究
• 6.1 机翼形量水槽的标准化结构体系
• 6.2 标准化机翼形量水槽的设计方案
• 6.2.1 设计原则
• 6.2.2 设计步骤
• 6.3 机翼形量水槽的安装和施工要求
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 存在不足与建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介