U形渠道抛物线形量水槽数值模拟研究

论文摘要

在农业节水灌溉各项技术的推广应用中,灌区量水是一项基础的、关键性的技术。随着节水农业的发展和水价制度的改革,研究结构简单、精度高的渠道流量测量装置具有重要的意义。本文选用五元二次正交旋转组合设计方法,利用GAMBIT建立模型,划分网格,基于标准k -ε二阶紊流模型,采用VOF方法和壁面函数法分别处理自由液面、不规则边界和固壁边界,对抛物线量水槽三维水流运动进行了数值模拟研究,主要得到以下结论:（1）对小型U形渠道抛物线量水槽建立模型,进行水位流量的模拟计算,得到不同工况下量水槽的自由水面线、流速分布等表明其过流特性的水力参数,并将其与试验资料进行对比,结果表明,自由水面线的计算与实测值符合较好,流速分布规律揭示的水流特性与实际状况相符,所选模型能够准确模拟量水槽的三维水流特性,该数值数值模拟方法具有可靠性。（2）在模型验证取得良好效果的基础上,为了在较大范围内研究抛物线量水槽的过流特性、自由出流时流量的变化规律,探讨渠道断面尺寸大小（不同的渠底半径r、外倾角α和渠道比降i,糙率n）和抛物线收缩比ε对量水槽流量计算的影响,本文采用五元二次正交旋转组合设计方法,建立数值模拟试验方案,对不同参数的渠槽进行了数值模拟计算。（3）采用DPS数据统计分析软件结合试验统计分析原理,对数值试验的模拟结果进行回归分析,得出以流量为因变量的五元二次回归方程。（4）利用简化模型,对已有的量水槽测流结果及较大半径U形渠道抛物线形量水槽进行了验证,初步表明,已有流量公式对较大半径U形渠道抛物线形量水槽具有较高的合理性。（5）根据建立的回归模型,探讨了不同渠槽结构参数对水位流量关系的影响。经过对流量的各个参数进行了单因子及两因子交互作用分析,结果表明,渠道半径及相对水深对流量影响较为显著,抛物线收缩比ε与渠道比降i对能否形成统一的水位流量关系有较大的影响,而渠道的外倾角α及糙率n对水位流量关系影响较小,而糙率的平方项对流量的影响较大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 灌区量水的目的和意义
• 1.2 灌区常用量水方法
• 1.2.1 利用水工建筑物量水
• 1.2.2 利用特设量水设备量水
• 1.2.3 利用量水仪表（计）类量水
• 1.2.4 量水设施的特点及应具备的条件
• 1.3 国内外量水槽研究进展
• 1.3.1 国内外量水槽研究进展
• 1.3.2 几种常用量水槽的特点
• 1.4 量水槽数值模拟的研究现状
• 1.5 本文研究的方法内容
• 1.5.1 本文的研究意义
• 1.5.2 本文的研究内容及方法
• 第二章 U 形渠道抛物线量水槽试验研究
• 2.1 抛物线形量水槽结构、测流原理及流量公式建立
• 2.1.1 抛物线形量水槽结构
• 2.1.2 抛物线量水槽测流原理及流量公式建立
• 2.2 试验概况及过程
• 2.2.1 试验概况
• 2.2.2 试验过程
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 水深与流量关系规律
• d'>2.3.2 流量系数C_d
• 2.3.3 流量系数的回归值
• 2.4 本章小结
• 第三章 数学模型与数值计算方法
• 3.1 数值模拟相关理论
• 3.2 模拟软件FLUENT 简介
• 3.3 量水槽三维模型建立与网格划分
• 3.3.1 模型建立
• 3.3.2 网格划分
• 3.4 控制方程
• 3.4.1 紊流模型
• 3.4.2 水气两相流的VOF 法
• 3.5 边界条件及初始条件设置
• 3.6 控制方程的离散化
• 第四章 量水槽三维数值试验研究
• 4.1 量水槽三维数学模型验证
• 4.1.1 流态及流场
• 4.1.2 水面线
• 4.2 抛物线量水槽数值试验研究方案
• 4.3 流量回归模型建立
• 4.3.1 数值试验模拟结果
• 4.3.2 基于DPS 的流量回归模型建立
• 4.4 流量回归模型的检验
• 4.4.1 考虑糙率对水位流量关系的影响
• 4.4.2 考虑渠道比降i对水位流量关系影响
• 4.5 不同参数对流量的影响分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与建议
• 5.1 结论
• 5.2 进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介