Experimental and numerical analysis of flow over a rectangular full-width sharp-crested weir

Weirs are a type of hydraulic structure, used for water level adjustment, flow measurement, and diversion of water in irrigation systems. In this study, experiments were conducted on sharp-crested weirs under free-flow conditions and an optimization method was used to determine the best form of the discharge coefficient equation based on the coefficient of determination （R2） and root mean square error （RMSE）. The ability of the numerical method to simulate the flow over the weir was also investigated using Fluent software. Results showed that, with an increase of the ratio of the head over the weir crest to the weir height （h/P）, the discharge coefficient decreased nonlinearly and reached a constant value of 0.7 for hiP 〉 0.6. The best form of the discharge coefficient equation predicted the discharge coefficient well and percent errors were within a ±5% error limit. Numerical results of the discharge coefficient showed strong agreement with the experimental data. Variation of the discharge coefficient with Reynolds numbers showed that the discharge coefficient reached a constant value of 0.7 when hiP 〉 0.6 and Re 〉 20000.

U形渠道抛物线形移动式量水堰板研究

该文提出了 U形渠道抛物线形移动式量水堰板 ,研究量水堰板的壅水高度、临界淹没度、喉口水深 -流量关系与渠道断面、比降和喉口收缩比的关系 ,给出了喉口收缩比范围和流量系数计算公式 ,分析了其测流误差。研究表明 :U形渠道抛物线形移动式量水堰板 ,量水精度较高 ,结构简单 ,造价低 ,使用方便 ,可用于各种小

小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验

为研究适用于小型渠道以及田间进水口的量水设施,该文拟结合小型渠道分水闸设计体型简单的梯形薄壁侧堰,探讨其水力特性影响因素。设计7种堰顶与水平方向夹角(-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°、9°)的梯形侧堰,在6种流量工况下进行42组试验,研究侧堰附近水面线、流量系数与其影响因素之间的关系、水头损失等水力特性。结果表明:建立的水面线函数最大相对误差仅为1.85%,满足测流精度要求;建立梯形薄壁侧堰流量与水头、堰高、堰顶角度的关系式,其相对误差绝对值最大为8.97%,满足测流精度要求;分析不同流量下水头损失及壅水高度,侧堰堰顶角度越大,水头损失及壅水高度越大;得到的上游水深与流量以及侧堰堰顶角度的关系式的决定系数可达0.9以上,便于在量水时根据渠道规格以及灌溉流量确定适宜的梯形侧堰堰型。该研究对梯形薄壁侧堰水力特性进行初步探索,为侧堰在灌区末级渠道或田间进水口的推广提供参考。

低流速孔板流量系数的分析

孔板用于压力管道中测量流量,相对于消能作用其特点是过流量小、流速低,而资料介绍的孔板流量系数都由模型实验得出。格鲁吉亚卡杜里电站采用跨流域引水方式,其引水道模型实验中采用此测流方法经济实用。本文采用标准k-ε湍流模型对孔板流场进行数值模拟,得到流速分布和流量系数,通过模型实验对低流速孔板的流量系数进行了验证,两者结果完全一致。在上述电站引水道模型试验中采用孔板测流的流量系数,试验结果完全满足精度要求。

矩形薄壁侧堰水力特性试验研究

侧堰作为一种量水设施,精度较高、结构简单、安装和拆卸方便,较易在灌区应用和推广,有很大的研究价值。对不同宽度和高度的矩形侧堰在缓流条件下进行了试验,分析了各工况下矩形渠道侧堰上、下游水面线、能量分布、流量系数等水力因素。结果表明,主渠道侧堰段能量基本保持不变,符合De Marchi的恒定能量假定;主渠道靠近侧堰边壁、中心线以及另一边壁三处的水面波动程度不同,说明侧堰对堰前水流产生影响;基于De Marchi假定和无量纲分析原理得到的流量公式最大相对误差均在±10%以内,满足灌区量水精度要求。

矩形渠道薄壁侧堰水力性能影响因素初探

我国灌区小型渠道量水装置较缺乏,若对渠道进口略加改造即可成为经济实用、装配简便的量水装置——侧堰,但目前对其研究还很不深入。通过理论及试验的方法对侧堰水力性能及影响因素进行了研究。通过对矩形渠道上6种堰高、4种堰宽的矩形薄壁侧堰在10种流量条件下过流特性试验观测,得到59种工况下9个关键断面27个测点的水深,分析了水面线的变化规律、侧堰上游水深及堰高与流量的关系。根据堰流公式,通过对流量系数Cd的探讨,得到Cd与上游佛汝德数Fr1、h1/P、h1/b具有较好乘幂关系的表达式,拟合得出的具有指数形式的矩形薄壁侧堰流量公式简明实用,流量计算的平均误差为3.85%,最大误差小于7.16%。

迷宫堰泄流能力及泄洪振动水弹性模型研究

迷宫堰是无闸门溢洪道控制堰中深受欢迎、很有特点的堰型 ,其泄流能力强 ,但影响因素较多。本文通过试验研究和理论分析给出的流量系数公式可以很好地确定其泄流能力 ;通过水力学和结构动力学“合二为一”的水弹性模型 ,对迷宫堰的抗震性能和流激振动进行了试验研究 ,结果令人满意 ,足以为规划设计提供参考。

矩形渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验研究

侧堰作为一种量水设施,安装在渠道侧边,直接与小型渠道或田间入水口连通,无需改变原有渠道断面结构,具有体型简单、安装拆卸方便、精度较高等优点,有很好的应用价值,但目前对其堰型以及水力特性影响因素的研究还不深入,在前人研究的基础上,对矩形渠道4种不同堰角（θ=0°,3°,6°,9°）的梯形侧堰在7种不同流量下进行了49组试验,获得了侧堰附近水面线,并基于无量纲原理研究了流量系数与其影响因素之间的关系,推导了操作简单且精度较高的流量公式,侧堰正向放置时其最大相对误差为9.95%,平均相对误差为1.57%,逆向放置时其最大相对误差为9.93%,平均相对误差为0.28%,均满足灌区精度要求;研究了水头损失与流量及堰角之间的关系,堰角越大,水头损失越小,其变化范围为40%~70%之间。

翻板闸流量系数变化特性试验研究

翻板闸门开启后,门上门下两层泄流,为堰、孔混合流,复杂的流态给工程的水力设计带来了难度,现有研究均是以求得综合流量系数为目标。为分开讨论在堰、孔独立出流时的相互影响,通过开展模型试验,基于翻板闸最大开度工况下的过流特性,研究来流量大小和下游水深对翻板闸过流能力的影响。试验来流量分别为0.06、0.08、0.10、0.12 m^3/s,下游水深分别为0.50、0.55、0.60、0.65 m的工况组合,共16种工况进行试验。试验结果表明下游水深一定时,流量系数与来流量呈正相关关系;来流量一定时,流量系数与下游水深呈负相关关系。该研究成果基于大开度工况,可进一步研究其他工况的流量系数。

韩国Janghang海堤工程防洪闸泄流能力试验研究

综合比较了韩国工程设计部门提供的和中国水利工程的平底闸堰流、孔流过流量计算式后指出,计算中应考虑河道闸前行近流速水头的影响.进行了韩国Soli河防洪闸设计方案和比较方案的水工模型试验,从防洪的角度来看,比较方案优于设计方案.

宽顶堰平板压差式量水闸过流规律研究

灌区水量的测量问题正日益受到关注。对于平原灌区,研究利用以淹没出流为主的工作闸门进行渠道量水具有现实意义。基于孔板式流量计的测流原理,提出一种平板压差式量水闸门。选择不同闸门开度e与闸门上游水深H组合,通过室内试验研究分析了闸孔淹没出流的相关测流规律,得出实用的流量系数经验公式。结果表明,该型闸门结构简单,取压方便,量水精度较高,集水位流量调控与测量为一体,适合应用于平原灌区。

有坎缺口式量水槽的流量系数和水力计算

有坎缺口式量水槽是结合U形渠道测流提出的一种新型的量水设施.本文通过理论分析得出了这种量水设施的流量系数随收缩比和水深的变化规律.通过试验得出了该设施收缩此的范围和水力计算方法.

淹没效应对不同类型琴键堰泄流特性的影响

为了探究琴键堰在淹没出流条件下的泄流情况及对淹没效应的敏感性,该研究在矩形水槽中对四种琴键堰基本体型(A型:上下游均倒悬;B型:上游倒悬;C型:下游倒悬;D型:上下游均无倒悬)进行了物理模型试验,分析琴键堰在淹没出流条件下的流态随下游水位的变化过程,得到其上下游堰上总水头之间的关系及淹没系数,并进一步分析四种琴键堰对淹没的敏感性以及比较四种琴键堰在淹没出流条件下的泄流量和泄流效率。试验结果表明,随着下游水位的壅高,四种琴键堰堰后依次出现了淹没后的冲击射流、破碎(表面跳跃)、表面波和表面射流流态;在来流量相同的情况下,C型和D型琴键堰在淹没系数S≥0.6时,逐渐发生淹没,且其流量折减系数随淹没系数的增大而减小,而B型和A型琴键堰分别在S≥0.15和S≥0.2时提前进入淹没状态。四种不同体型琴键堰的临界淹没度(S_(m))分别为:A型0.5、B型0.3、C型0.7、D型0.65。对比看来,仅具有上游倒悬结构的B型琴键堰对淹没最为敏感,其次是具有对称倒悬结构的A型,而向下游的倒悬结构可以延缓上游的淹没;四种不同类型琴键堰的淹没泄流效率受“对淹没的敏感性”和自由出流泄流效率两个方面的综合影响。研究成果可为完善琴键堰堰流理论、推动其在明渠及河道中的应用提供技术支撑。

U形渠道直壁槽式量水堰的流量系数和流速系数的探讨与计算

本文通过理论分析,推导了U形渠道直壁槽式量水堰的流量系数和流速系数的理论计算式,讨论了流量系数的变化规律。并在大量试验研究的基础上,得出了上游水头与水深、上游水头与喉道临界水深的线性关系,提出了流量系数和流速系数的实用计算公式。

平底闸及闸室驼峰堰的水力特性

从理论上论证平底闸的水力特性及闸室中驼峰堰、驼峰堰的相对位置对流量系数的影响,分析各种计算泄流能力(只考虑自由出流情形)的常用方法,并对这些计算方法进行比较。结果表明:布置合理的闸型,可提高闸的泄流能力;平底闸闸室内加设驼峰堰,对提高流量系数的作用很大,但驼峰堰在闸室中所处的位置对提高流量系数的作用是不同的;驼峰堰加在闸室中部靠前的部位是最佳的布置形式。

淤地坝泥沙淤积高度对宽顶堰水力特性的影响

为解决淤地坝长期运行,泥沙不断沉积超出设计库容,漫延至溢洪道内并在宽顶堰前堆积从而影响泄流的问题,该研究通过物理模型试验的方法,对不同淤积高度下溢洪道内宽顶堰的水流流态、水面线、流速分布、流量系数等特性进行对比分析。结果表明,随着淤积高度的增加,堰流在保持宽顶堰原有的过流形态同时壅水程度逐渐降低;淤积高度的不同会影响堰前及堰上区域的水面高程和断面流速,堰前水位随着淤积高度的增加略微下降,过流断面逐渐减小,水流流速增大;随着淤积高度的增加,流量系数逐渐增大,即宽顶堰的泄流能力有所增强。因此引入参数相对淤积高度(淤积高度S与堰高P之比),根据试验数据拟合得到了淤积工况下宽顶堰流量系数经验公式,计算流量与实测流量的平均相对误差为2.7%,满足精度要求,可为淤地坝除险加固工程的相关工作提供参考。

双向翻转弧形闸门的过闸流态及泄流能力研究

双向翻转弧形闸门可根据运行需要,动水双向启闭,过闸水流形态为可为宽顶堰流、薄壁堰流,也可为孔流,门型较为新颖。以上海新石洞水闸改造工程为背景,进行了该新式水闸的水工水力学模型试验,研究了双向翻转弧形闸门的过流方式,根据试验结果分析了不同过闸形态时的综合流量系数规律及过流能力的计算方法,希望能为类似水工闸门的水力设计提供参考。

矩形侧堰水力性能参数研究

为研究矩形侧堰自由出流水力性能,探索侧堰泄流公式,试验采用控制变量法,设置不同堰高、堰宽,研究流量与各水力性能参数的关系。结果表明:(1)理想状况下,矩形侧堰泄流时水流的总能损失在10%以内,能量损失主要体现在堰口处;(2)水面线在堰口近上游端低于远离上游端;(3)侧堰流量与堰宽、堰上水头成正比。流量系数md与弗汝德数Fr1,上游水深与堰高比h/P,上游水深与堰宽比h/b关系显著,与弗汝德数Fr1正相关,与h/P,h/b负相关。得出0~30 L/s流量范围内侧堰泄流公式,Q=Fr10.162(h/P)-0.113(h/b)-0.045b21/2H3/2,实测流量与计算流量误差范围在-0.01%~6.86%之间,符合测流误差范围,测流精确。研究成果可为侧堰测流提供理论依据,对灌区量水设备、方法的发展和改进具有重大意义。

矩形渠道梯形薄壁侧堰流量系数及分水研究

侧堰安装在渠道侧边,常用来宣泄水流,控制水量,具有结构简单、量水精度较高等优点。若能对侧堰量水时主、侧渠道分流比例与上游来流结合起来研究,则侧堰可同时完成量水与分水两种功能,实现一物多用,经济实用。本文对具有不同堰顶角度(θ=0°,3°,6°,9°)的梯形侧堰进行试验,测量了各工况下侧堰附近的水深等水力因素,获得了侧堰附近水面线,计算了不同堰顶角度下的分流比例,研究了流量系数与其影响因素之间的关系。结果表明:同一堰顶角度下,分流比例随着上游来流流量的增大而增大,不同堰顶角度下,分流比例变化范围随着侧堰堰顶角度的增大而减小;获得的分流比例公式精度较高,决定系数达到0.921;获得的含有P/h_1和Fr_1的流量系数公式最大相对误差为8.06%,满足测流精度要求。该文章对侧堰量水与分水功能的结合进行了初步探索,为侧堰的研究提供了新的方向与依据。

斜交实用堰泄流能力及水力特性的试验研究

受自然河床边界条件的限制,中小型水利工程中斜交实用堰经常为设计者采用,但斜交实用堰过流能力的确定,是困扰设计人员的一个技术难题。对不同斜交角(θ=0°,30°,45°,60°)的斜交实用堰在5种流量下进行20组实验,研究斜交实用堰附近的流场特征,分析斜交实用堰流量系数与其影响因素,给定了斜交实用堰流量计算方法。试验结果表明:等宽度明渠条件下斜交堰流速水头要大于正交堰;斜交堰一般不会出现回流区,其主流方向在堰前均发生偏转;斜交实用堰更适用于低水头运行,但是在高水头下依旧有着比正交堰更大的过流能力;给定的斜交实用堰流量计算公式,计算值与实测值相对误差最大为4.63%,满足一般工程设计的要求,可作为工程设计人员采用时的参考。