机翼形量水槽水力特性试验与数值模拟研究

论文摘要

渠道量水是灌溉用水管理的基本条件,是一项基础且关键性的技术,对灌区节水、实现水资源高效可持续利用具有重要意义。研究具有结构简单、操作简便、水头损失小、量水精度高、流量计算公式简明的渠道量水设备,是灌区迫切需要的灌溉管理实用技术之一。由于灌区条件比较复杂,很难应用统一的量水设施,目前已有的槽类量水设施还不能满足灌区量水的要求。因此研究开发适合我国灌区目前经济发展状况以及能满足特定量水要求的量水设施和测流技术是当前灌区量水研究的着眼点。特别是针对末级渠系只中面广量大的斗、农渠以及缓坡渠道量水设施的研究,应是目前研究工作的重点方向。具有流线形特征的机翼形量水槽结构简单、过流平顺、流态稳定,可作为新型的量水结构加以研究。本文在初步研究的基础上,按照理论分析、试验研究、数值计算与灌区现场实验相结合的研究思路和方法,对机翼形量水槽的各项水力特性进行了深入系统的研究与分析。主要研究内容与结论如下：1、总结了灌区量水技术与设施特别是量水槽的最新发展,详细阐述了临界水深类量水槽的测流原理。并采用量纲分析法及传统水力学基础理论分别推导U形渠道、矩形渠道、梯形渠道机翼形量水槽过流的水位流量关系,得出了流量计算公式,并加以试验验证。结果表明,采用两种方法得到的流量计算公式简明实用,测流精度都符合量水规范对灌区量水设施的要求。2、以矩形渠道机翼形量水槽为例,对过槽水流从流态上进行了定性的讨论和总结,为深入理解流经机翼形量水槽等短喉道类量水槽的水流流态提供参考依据,并以期指导量水槽设计。对于水平渠道机翼形量水槽而言,在理想状态下临界流发生在渠道侧向收缩达到极小值的断面,即喉口断面。通过一定的工程措施促使量水槽断面收缩比从大到小变化,则过槽水流便可依次呈现出缓流、临界流、急流三种流态。只要控制量水槽内的水流为急流,就可以获得较高的临界淹没度。3、通过室内试验研究了三种渠道机翼形量水槽的各项水力特性,包括临界淹没度、壅水高度及上游断面佛汝德数,为量水槽在灌区应用提供技术参数。U形渠道、矩形渠道、梯形渠道机翼形量水槽的临界淹没度都较高,因此在平原灌区,也可保证量水槽上游水位在大范围内不易受下游水位的影响。与其他两种渠道机翼形量水槽相比,矩形渠道机翼形量水槽的上游水面波动一般很小,流速分布比较均匀,槽前佛汝德数也相对较小。试验得到的机翼形量水槽在各种渠道中的壅水高度都能满足灌区要求。4、分析了机翼形量水槽过流水头损失的机理及影响因素。量水槽过槽水流水头损失包括槽前收缩段、下游扩散段以及从扩散段到槽后一定距离内的水跃段水头损失三部分。将过槽水头损失全部看作局部水头损失,经数据分析得到局部水头损失系数与过槽流量、断面收缩比以及淹没度的关系。U形渠道、梯形渠道机翼形量水槽的水头损失系数变化规律类似,但与矩形渠道机翼形量水槽的明显不同。5、研究了数值计算中网格大小、湍流模型对数值模拟结果的影响,为后续数值模拟选定了合理的模拟参数及数学模型。以U形渠道机翼形量水槽为例对量水槽三维水流运动进行了数值计算。重点关注在自由出流时,不同收缩比及流量下水面线的变化,再现过槽水流流线及速度场,以及在下游水位得到控制时的量水槽淹没度。通过非稳态数值计算,得出量水槽过流过程及水位的瞬态变化。对比验证计算与试验,结果表明：采用CFD模拟技术可以较好地模拟量水槽三维水流现象。在此基础上对物理试验模型之外的机翼形量水槽过流进行了预测模拟,从而突破物理模型在尺寸及研究范围上的限制,进一步拓宽了量水槽研究的范围。6、分别在内蒙古鄂尔多斯黄河南岸灌区和引大入秦输水干渠上进行了U形渠道与矩形渠道机翼形量水槽的应用实验研究。结果证明,机翼形量水槽水头损失小,临界淹没度高,便于施工。总结了机翼形量水槽在灌区应用中包括设计、修建及率定等各个环节的实践经验,并为机翼形量水槽在灌区的大范围推广给出了合理建议。通过对机翼形量水槽在三种渠道上的试验以及现场实验研究表明,机翼形量水槽可以代表灌区量水槽新的发展方向,有较好的推广价值和应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 灌区量水的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 灌区量水方法研究现状
• 1.2.2 数值模拟研究现状
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 本文研究内容
• 1.3.1 机翼形量水槽试验研究及灌区应用实践
• 1.3.2 量水槽CFD数值模拟研究
• 第二章 机翼形量水槽三维湍流数值计算方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流数值模拟方法
• 2.3 雷诺平均法
• 2.4 湍流涡粘模型
• 2.4.1 标准κ-ε模型
• 2.4.2 RNG κ-ε模型
• 2.4.3 Realizable κ-ε模型
• 2.5 壁面函数法
• 2.6 控制方程的求解方法
• 2.6.1 控制方程的离散化
• 2.6.2 离散方程组的数值解法
• 2.7 水气二相流VOF法
• 2.8 本章小结
• 第三章 U形渠道机翼形量水槽试验研究及应用
• 3.1 室内试验研究
• 3.1.1 量水槽的结构
• 3.1.2 量水槽的测流原理
• 3.1.3 流量公式的量纲分析
• 3.1.4 试验装置与方法
• 3.1.5 试验结果与分析
• 3.2 量水槽灌区应用
• 3.2.1 内蒙杭锦旗黄河南岸灌区简介
• 3.2.2 量水槽的设计
• 3.2.3 量水槽规模化施工
• 3.2.4 量水槽应用原则与建议
• 3.3 本章小结
• 第四章 矩形渠道机翼形量水槽试验研究及应用
• 4.1 室内试验研究
• 4.1.1 量水槽的结构
• 4.1.2 流量公式的量纲分析
• 4.1.3 试验装置与参数
• 4.1.4 试验结果与分析
• 4.1.5 量水槽过流流态分析
• 4.2 量水槽工程测流实践
• 4.2.1 渠道简介
• 4.2.2 量水槽设计
• 4.2.3 测流效果
• 4.3 本章小结
• 第五章 梯形渠道机翼形量水槽试验研究
• 5.1 室内试验研究
• 5.1.1 量水槽的结构
• 5.1.2 基于能量方程与佛汝德数方程的流量计算式
• 5.1.3 试验装置与参数
• 5.1.4 试验结果与分析
• 5.2 机翼形量水槽水力特性评价
• 5.3 本章小结
• 第六章 机翼形量水槽水头损失规律研究
• 6.1 水头损失机理
• 6.2 水头损失计算
• 6.3 U形渠道机翼形量水槽水头损失分析
• 6.3.1 流量与收缩比对水头损失系数的影响
• 6.3.2 淹没度对水头损失系数的影响
• 6.4 矩形渠道机翼形量水槽水头损失分析
• 6.4.1 流量与收缩比对水头损失系数的影响
• 6.4.2 淹没度对水头损失系数的影响
• 6.5 梯形渠道机翼形量水槽水头损失分析
• 6.5.1 流量与收缩比对水头损失系数的影响
• 6.5.2 淹没度对水头损失系数的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 U形渠道机翼形量水槽三维数值模拟
• 7.1 稳态数值计算
• 7.1.1 参数选择
• 7.1.2 量水槽三维数值模拟
• 7.1.3 数值预测模拟
• 7.2 过流非稳态计算
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 研究成果
• 8.2 主要创新点
• 8.3 存在问题及建议
• 参考文献
• 附件
• 附图
• 附表
• 致谢
• 作者简介