矩形渠道Nystrom流线型量水槽试验研究

为了探究流线型量水槽在矩形渠道的量水性能及适用性,通过Nystrom水滴型线构造不同收缩比流线型量水槽进行水力性能试验。通过分析槽前水深和喉口断面临界水深关系建立量水槽槽前水深流量公式,探讨了量水槽测流精度、上游弗劳德数、壅水高度和水头损失等测流特性。结果表明:量水槽槽前水深与流量相关度高,测流平均误差为1.74%,具有较高测流精度;上游弗劳德数、壅水高度、水头损失等水力要素均受量水槽收缩比与过流量影响。在试验条件下,上游弗劳德数均小于0.4,水流平缓,壅水高度与水头损失均较小,且均随量水槽收缩比的增大而减小,随渠道过流流量的增大而增大。

基于NSGA-Ⅱ遗传算法的Myring流线型量水槽体型优化设计

Myring流线型在水下航行器领域应用较为广泛,而量水槽在渠道中的受阻状态与潜水器潜行时受到的阻力情况具有一定的相似之处,因此本文借鉴潜水器的结构特点进行量水槽体型设计,探究量水槽受阻最小的较优线型。基于FLOW-3D软件,采用最优拉丁超立方设计方法,以流线型的收缩段长度和锐度因子、扩散段长度和离去角为变量设计了40组数值模拟方案,得到对应的水头损失百分比和上游佛汝德数。以数值模拟变量为输入、结果为输出,训练RBF神经网络,结合NSGA-Ⅱ遗传算法获得Patero前沿解,通过TOPSIS评价法筛选出最优解并得出其线形参数:优化模型收缩段长度为45.9 cm、收缩段锐度因子为0.74、扩散段长度为49.2 cm、扩散段离去角为14.63°,并通过等比例缩放得到6组收缩比,在9组流量下进行模型试验分析水力性能。结果表明,优化后线型过流较顺畅,水力性能较优,预测结果和模拟结果误差不超过5%;不同工况下上游佛汝德数均小于0.5,满足测流规范要求,收缩比为0.58~0.66时各项水力性能均较优;基于临界流测流和量纲分析原理得到的测流公式精度较高,平均相对误差为2.09%。本研究证明了将流线型运用于量水槽领域研究以及通过神经网络和遗传算法寻优的可行性,优化后Myring流线型量水槽具有良好的性能和测流精度,在灌区渠道中具有较好的运用前景。

仿舵型量水槽体形模拟研究

【目的】探索具有水流平顺、流态稳定、测流准确、水头损失小等优良特性的量水槽线形。【方法】针对基于水下装备流线型体构造的量水槽,选取4种量水槽体形,运用数值模拟方法研究不同体形的量水槽在不同流量条件下的流速分布、水面线、佛汝德数、水头损失、壅水高度等水力性能。【结果】流线型体扩散段较陡时,仿舵型量水槽的壅水高度和水头损失相对较小。不同流量条件下,4种体形的量水槽上游佛汝德数均低于0.5;壅水高度均低于3 cm;计算流量与模拟流量的平均误差为2.42%,测流精度较高,且均具有较小的水头损失。【结论】卡克斯仿舵型量水槽在各流量条件下的水面线均较为平稳且流速分布更加均匀,在不同流量条件下其水头损失均小于0.35 cm,测流精度大于98.27%,水力性能最优,可作为仿舵型量水槽的基本体形。