基于跌坎压力自相似分布的明渠水深−流量关系推求

明渠流量计量是高效灌溉、合理分配水资源和进行用水有效管理的重要手段。跌水是常见的明渠水流上下游衔接的水利设施。当跌落水流不受跌坎下游水流影响时形成自由跌流,可用于明渠流量的精确计量。受自由跌流影响,跌坎断面水流由缓流向急流转变,压力分布显著偏离静水压力分布规律。而获得跌坎压力分布及其准确描述方程则正是明渠自由跌流流量公式推求的关键,其准确与否决定了利用跌流进行流量计量的精度。本文首先通过模型试验和数值计算对矩形明渠自由跌流的断面压力分布特征进行研究,而后利用理论推导建立了明渠跌流的水深−流量关系公式。研究发现,明渠跌水跌坎断面压力呈典型自相似分布规律,其无量纲压力值分布倾向于一条曲线,压力最大值为0.238he(he为跌坎水深),出现在竖向距跌坎0.209he水深处,并且压力自相似分布规律与明渠流量、渠道底坡和边壁糙率无关。在此基础上,结合幂函数和尾迹函数提出了描述跌坎断面压力分布的函数方程,并给出了最大压力和最大压力位置的计算公式,然后根据动量方程和流量连续方程推求了明渠自由跌流的流量计算公式。最后,对本文和其他研究者提出的流量计算公式采用试验数据进行了对比分析,结果表明:本文提出的流量公式在明渠流量为5~100 L/s,底坡为–0.0112~0.0534、糙率为0.0930~0.0193的研究范围内,具有更高的精度和适用性,计算误差在±5%之内,可适用于该流量、底坡和边壁糙率范围内矩形明渠自由跌流的流量精确计算。本文研究结果对于利用自由跌流进行明渠流量计量提供了理论与技术支撑,具有重要的工程应用价值。

簇状分布的刚性双层植被明渠紊流特性分析

采用RNG k-ε紊流模型,对簇状分布的刚性双层植被明渠水流进行了模拟和分析;根据时间及空间的双平均方法对植被明渠水流的流速及紊动参数进行了统计。结果表明:簇状分布的植被明渠水流可以分为植物区、间隙区及主流区,不同区域时均流速的大小和分布各异;双层植被明渠水流中,时均流速垂线分布在近床面、低植物顶部附近及高植物顶部附近均出现拐点,脉动强度和紊动能的最大值出现在高植物顶部附近。

基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置及其在线校准方法研究

明渠流量计是监测水流量的一种计量器具,广泛应用于各行各业。因其不便拆卸、堰槽设计不规范、校准方法缺失等原因,使得明渠流量计在线溯源成为业内亟需解决的难题。该文开发出一款基于光栅尺测量的明渠流量计校准装置,并应用该装置研究出模拟液位法的明渠流量计在线校准方法。该方法克服了标准液位计法及流速面积法等现有溯源方法存在的不足,具有操作简便、测量准确、模拟水位可调、过程智能化等特点,为明渠流量计在线溯源提供技术支撑。

考虑下游河道明渠流扰动的尾水隧洞水力波动特性研究

除过渡过程引起的明满流现象外,尾水河道波动同样对长尾水系统的稳定性具有重要影响。基于VOF明渠流模型,研究了下游河道尾水波动对尾水隧洞水力震荡和机组性能的影响。结果表明,调压井后端的尾水隧洞中的压力脉动主要由调压井和下游波浪共同作用引起,呈现出一定的周期性波动;调压井对来自下游的低频脉动具有消波作用,可消除95%以上由波浪引起的低频压力脉动;在下游水位突变的情况下,压力脉动经历了由喷气主导的大波动向下游造波主导的平稳波动的过渡;由下游波浪引起的脉动无法有效传递至转轮区域,受调压室的影响较大;然而喷气引起的某些脉动频率如0.8203 Hz能够有效传递到转轮出口,并保留67.2%的脉动幅值,进而影响转轮性能。

模拟环境因子对输水明渠泥线藻生长及光合活性的影响

为了解输水明渠有害附着蓝藻的生理生态适应性,在室内使用小型跑道池模拟输水明渠环境,选取丝状着生蓝藻泥线藻(Laspinema sp.APE171)为研究对象,在不同流速、光照强度、UV-A强度、浊度环境条件下,测定泥线藻的叶绿素a含量和叶绿素荧光等参数,并对比了泥线藻在水-气界面和底栖两种不同生境中的生理状态差异。结果显示:当流速V>0.23 m/s时,水-气界面处的泥线藻生长被抑制;UV-A强度为440μW/m^(2)时,会对水-气界面处的泥线藻光合作用产生明显胁迫;浊度为100 NUT时,水-气界面处的泥线藻光合活性最低;泥线藻在水-气界面生境中对环境因子的变化更敏感。因此在对输水明渠中泥线藻的监测和防控过程中,应充分考虑流速、UV-A强度、浊度及不同生境对其生长的影响。

基于动网格6DOF模型的框架式流速仪水力特性数值模拟与明渠测流速率常数预测

为分析明渠内框架式流速仪流场特性与运动姿态,同时对流速仪倍常数K和摩阻系数C进行率定,根据不可压缩流体流动的Navier-Stokes方程和SST k-ω湍流模型,结合VOF多相流模型,建立动态网格下的6自由度(6DOF)刚体动力学耦合数值仿真模型,对水冲击流速仪旋桨使之被动旋转过程进行了仿真,分析了流速仪在不同位置对流速仪倍常数K和摩阻系数C的影响规律。结果表明:采用动网格6DOF模型可以较好地模拟框架式流速仪在明渠的流动状态,仿真结果可靠性较高;通过对不同时刻转速与流速拟合曲线分析可知,流速仪位置不同会影响流速仪摩阻系数C,对流速仪倍常数K影响不大。研究结果可为进一步研究框架式流速仪优化和不同含沙水流条件下对流速仪的磨损提供参考。

梯形波纹钢明渠抗冻胀性能有限元模拟

为研究冻土环境中的梯形波纹钢明渠抗冻胀性能,建立了可精细模拟土-渠相互作用的实体-壳体三维空间有限元分析模型,提出了同时考虑含水率与温度的冻土弹性模量计算公式。通过考虑土体在不同月份的温度场变化,采用瞬态热传导模拟了实际升温、降温过程中的土-渠相互作用。合理考虑了含水率与温度对冻土弹性模量、冻胀系数、内摩擦角、黏聚力等本构参数的影响,研究了波纹钢明渠变形与应力的变化规律,分析对比了不同的土体类型与初始含水率、地下水埋深、横撑间距与截面尺寸、波纹钢壁厚与卷边宽度对变形和应力的影响。结果表明:波纹钢明渠可承受一定的水平冻胀作用;渠周土体初始含水率及地下水埋深对波纹钢明渠变形与应力的影响显著,当地下水位在波纹钢侧壁埋深的下半部分时尤为明显;为减小渠体变形,可采取在渠顶设置横向支撑、减小侧壁坡度、增大波纹钢壁厚或加宽卷边的措施,相比之下,前两种更为经济且有效,不过横撑规格需满足受压稳定性要求;设置横撑后,卷边可提供一定的侧向刚度;虽然加宽渠顶卷边对减小渠顶的横向变形有一定贡献,但在10~100 mm宽度范围内贡献不大;未设支撑的波纹钢明渠Mises应力整体低于钢材屈服强度,应力较大的部位多见于底边角部和底部位置,侧壁应力水平不高;设置横撑后,波纹钢渠体应力较大的部位由底部转移至侧壁及卷边,尤其在卷边与横撑的连接处,钢材可达到屈服状态。

船舶对明渠水流运动的影响模型试验研究

为了探求船舶对于明渠水流运动的影响,利用水位测针和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)系统分别测量了明渠水流中不同吃水工况下船舶前、后的沿程水深及流场,分析了位于船舶中间纵剖面上的流速分布特征。结果表明:①相较于无船工况,船前水深略有增加,船后水深略有减少;且船舶对水深的影响程度随着吃水深度的增加而增加,有船与无船水深的比值最大为1.071,最小为0.951;②船舶中间纵剖面上纵向垂线流速分布从船头前“J”型向船舶底部的“■”型转变,流经船尾后逐渐恢复为“J”型,且在船头附近形成下潜水流、船尾附近形成上升水流;③在船舶吃水深度为0.6 h时,纵向(沿水流方向)与垂向(沿水深方向)上都出现各个工况下的最大流速,纵向流速最大值达到无船时平均纵向流速的2.11倍,位于船头附近(x/l=-2/5);下潜水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的71%,位于船头附近(x/l=-0.5);上升水流流速最大值达到无船时平均纵向流速的29%,位于船尾附近(x/l=2/3)。

非均匀散粒粗糙床面明渠水流流速结构PIV试验研究

鉴于床面非均匀散粒粗糙直接影响明渠水流的流速结构问题,基于PIV水槽试验,研究了非均匀散粒粗糙床面明渠水流的流速结构,探讨了水流时均流速沿流向和沿垂线的分布规律,分析了脉动流速的象限分布特征。结果表明,梅花形排列的大尺度非均匀散粒粗糙显著影响了颗粒顶部以下的水流结构,大、小颗粒周围时均流速结构相似,颗粒大小明显影响了流动分离区形状尺度和内外层流体分界点位置;象限分析显示外层流体中,大颗粒使其上方区域Q2、Q4事件的概率减小;内层流体中Q1、Q3事件占主导,颗粒上游及大颗粒附近相比下游及小颗粒附近更易产生强紊流事件。

湿陷性黄土地区明渠陡槽加墩消能工优化试验

明渠陡槽加墩是一种高效消能工布置方式,在特定条件下具有很高的技术竞争优势,但目前国内相关研究甚少。针对甘肃庆阳小崆峒沟雨水下塬排放工程的明渠陡槽加墩段进行了1∶30大比尺水工模型试验研究,试验发现初步方案沿程水流流态不稳定,存在向外泼溅溢出现象,危及黄土边坡的结构稳定。为此对初步方案进行了优化研究,试验发现,通过缩短消能墩排距,可以显著减小水面波动,使沿程水深分布均匀,流速降低,沿程不再出现水流向外泼溅溢出现象。消能墩排距由H/i缩短至0.5H/i后,在最大设计流量工况下,水面波动减小72.5%,平均流速降低40.1%,总消能率由87.9%提高至94.6%。

明渠湍流结构对粒子运动跟随性影响综述

近年来大量学者通过室内试验、现场观测以及数值模拟等方法对明渠湍流中粒子的运动规律进行了深入细致的研究,逐步揭示了明渠湍流中粒子运动复杂性的本质和规律,并将成果应用于河流泥沙输移、河流地貌演变以及生态环境保护等多个领域。鉴于明渠湍流具有明显的分区效应,其湍流流速分布、分区结构组成以及相干结构分布特性等对水中粒子的运动过程均会产生显著影响,对水中粒子在明渠湍流结构中的整体运动规律、湍流结构内区以及外区的运动过程进行了总结;重点阐述了近壁区粒子运动规律的反常现象和原因,以及湍流结构中粒径、密度和Stokes数这3个影响粒子运动过程的主要因素。研究成果可为泥沙运动以及生态保护等研究及应用提供参考。

塔里木灌区多泥沙明渠测流设备比测与精度分析

为探究新疆塔里木灌区含沙水流对测流设备精度的影响,选取灌区测流条件较好且具有代表性的明渠水流为研究对象,以电磁流量计为基准,在室内明渠水槽测试了时差法超声流量计、旋桨式流速仪、多普勒流速仪,在不同含沙量(最大含沙量55 kg/m^(3),塔里木灌区明渠天然沙,中值粒径0.034 mm)下的测流精度.结果表明:在含沙量范围内测流平均意义上,时差法超声流量计在含沙量S≤33 kg/m^(3)下测流误差为-0.66%~7.92%,符合明渠量水误差规范要求,能够满足塔里木灌区最高含沙量(29 kg/m^(3))下的量水精度;旋桨式流速仪在低流速下测量结果偏低,随着含沙量的增大其测量结果逐渐偏大,误差最大达93%;多普勒流速仪在低含沙量下测量结果比清水条件下更精准,但高含沙量下测量误差较高,达140%~190%.研究结果可为塔里木灌区明渠测流设备选用提供借鉴,继而促进推广与应用.

非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性研究

为揭示非均匀散粒粗糙床面明渠紊流特性,采用d_1=1.0 cm、d_2=1.5 cm的正方体散粒制成粗糙床面开展PIV水槽明渠紊流试验,探讨了紊动强度、速度高阶矩、雷诺应力和紊动能的分布规律。结果表明:(1)粒间区中部,邻近剖面颗粒的绕流作用使紊动强度发生明显变化。(2)速度高阶矩纵向偏度系数S_(u')与垂向偏度系数S_(v')的分布特性揭示在近床处主要发生扫掠事件,而颗粒顶部以上区域喷射事件占主导。(3)平均雷诺应力R_(mean)在粒间区沿程先增大再减小,在颗粒区先减小后增大。(4)紊动能呈条带状分布,在河床底部和水面受到的抑制使得整体紊动能从床面开始增大,在颗粒顶部附近达到最大之后开始减小。

兼具通航功能的导流明渠建设研究

本文通过对苏州河西闸工程不同施工导流方案进行对比研究,分析不同方案对区域水位、流速、排水量等的影响,结合周边施工条件等因素选择了影响小且可行的明渠导流方案,并对有临时通航要求的导流明渠设计要点进行了分析论述,方案经过实践检验取得了预期成效,在类似项目上具有推广价值。

全断面围堰及明渠导流在九里沟渠下涵拆除重建工程中的应用探讨

淠河总干渠九里沟渠下涵拆除重建工程是安徽省淠史杭灌区“十四五”续建配套与现代化改造工程的建设内容,九里沟渠下涵工程的建设需要采用施工导流工程。本文介绍了导流标准及导流时段、导流方式的比选、导流建筑物的形式,以及施工质量控制措施和导流工程的监控措施,可为灌区工程导流施工提供技术参考。

高寒高海拔地区水电站导流明渠混凝土衬砌施工技术研究

以高寒高海拔地区水电站导流明渠建设为背景,针对低温、低氧、强风等特殊环境下混凝土衬砌施工所面临的技术难题,分析了高寒高海拔环境对混凝土性能、施工工艺和质量控制的影响,讨论了混凝土配合比设计、浇筑工艺及养护措施等关键施工技术,提出了相应的解决方案,并以西藏加查水电站为例进行应用分析,可为类似工程提供参考。

明渠水流挟沙力与紊动特性相互关系的简化分析

过去有关明渠水流挟沙力的研究均采用了维利坎诺夫或张瑞瑾的能量平衡观点,通常将挟沙力S_(v*)表达为无量纲参数U^(3)/(ghω)的线性或幂函数。目前对挟沙水流能量变化机理的认识仍然有限,基于能量平衡的挟沙力分析方法还有待完善。通过考虑明渠水流的紊动特性,提出了一种挟沙力分析的简化方法。所获得的公式结构与前人的结果基本一致,即S_(v*)与U^(3)/(ghω)和f^(1.5)呈线性关系,其中f为阻力系数。通过引入表征水流紊动的特征参数,该方法可推广应用于高含沙水流和非均匀流等复杂情况。

基于数据拟合法的三角形薄壁堰明渠流量测量不确定度优化

针对三角形薄壁堰明渠流量计非定点使用时测量准确度水平较低的问题,基于不确定度预评估结果,提出了以曲线拟合替代线性插值计算流量系数,采用了数字输出磁致伸缩水位传感器测量水头,显著降低了原方法中贡献较大的不确定度分项。基于弗劳德相似准则改进了频率采样方法,提升了测量结果的准确度水平。测量方法改进后不确定度由1.6%提高到0.56%。通过标准表法明渠流量流速标准装置对三角形薄壁堰明渠流量计进行了标定实验,实验结果表明:测量方法改进后标定误差(偏差)由2%降低到1%。

农田灌溉明渠水量计量方法与设备探究

为提高灌溉效率和节约用水资源提供技术支持。结合相关文献和实践案例,对常用的明渠水量计量方法和设备进行了分析,包括定点测流法、线性测流法、非线性测流法等,同时介绍了不同测流仪器的选型、安装和调试等技术要点。研究结果表明,定点测流法和线性测流法是农田灌溉明渠水量计量中较为常用的方法,且在实际应用中取得了良好的效果。非线性测流法虽然可以提高测量精度,但在实际应用中受到限制。此外,合理选型和使用测流仪器可以提高测量精度和减小误差,而不合理选型和使用则可能导致测量结果不准确。对农田灌溉明渠水量计量的方法和设备进行了全面介绍和分析,为农业生产和水资源管理提供了重要的技术支持。未来的研究可以进一步探索明渠水量计量技术与智能化灌溉技术的结合,提高农业生产效率和水资源利用效益。在应用中,需根据实际情况选择合适的计量方法和设备,并进行合理选型和使用,以保证测量精度和减小误差,提高灌溉效率和节约水资源。

基于非接触式流量计算方法的明渠断面流量计算分析

考虑到渠道断面与水流中垂线流速相近,垂线水面处与平均流速之比恒定的情况,研究提出非接触式水面一点计算方法,可以利用断面面积、中垂线水面流速与该恒定值参数计算明渠断面流量,通过对锦州市某排水泵站矩形明渠的流速和流量系数α进行抛物线拟合分析。结果表明,该渠道流量系数α为0.86,实测流量与使用该流量系数确定的流量相差较小,说明水面一点法的精准度较高,对明渠流量测算具有较好适用性,可为其他灌区快速测流及实时监测排水泵站工程渠道流量提供一种新的途径。