考虑底坡影响的U形渠道量水槽流量公式研究

渠道底坡是影响输水能力的重要因素,但量水槽流量公式往往忽略渠道底坡。为了探究渠道底坡对流量公式的影响,以三角形量水槽为研究对象,在6种底坡的U形渠道上开展田间试验。应用能量方程式推求了流量的理论公式,基于量纲分析法分别建立不包含和包含渠道底坡的流量公式,探讨渠道底坡影响流量公式的范围。流量的理论公式表明渠道底坡是影响量水槽流量公式的因素之一。与不包含渠道底坡的流量公式相比,包含渠道底坡的流量公式测流精度显著提高,平均相对误差从2.92%降低至1.65%,最大相对误差从12.22%减小至7.37%,相对误差绝对值小于5%的比例从80.94%提升至95.89%。渠道底坡影响三角形量水槽流量公式的范围界定为1100~1/1200,当渠道底坡小于11200时可以忽略。量水槽流量公式应考虑渠道底坡的影响。

U型渠道中直角三角形量水槽体型设计

量水槽体型设计是量水槽应用于灌区的重要环节,目前尚无完善的体型设计标准可依。为解决直角三角形量水槽实际应用中的体型设计问题,提出以淹没度、壅水高度和上游弗劳德数的限制条件为标准的量水槽体型设计准则。在2种型号、3种坡度的U型渠道上,利用钢模板修建5座直角三角形量水槽进行灌区试验;建立了包含渠道坡度的流量公式,拟合了淹没阈值、壅水高度和上游弗劳德数的经验公式。研究表明:含有坡度的流量公式精度较高,平均相对误差仅为1.88%,相对误差的最大值为5.56%,相对误差在±5%范围以内的数据比例为98%;拟合得到的3个经验公式描述了淹没阈值、壅水高度和上游弗劳德数与量水槽喉口宽度之间的定量关系,可用于量水槽体型设计。基于体型设计准则和经验公式,建立了最大流量和最小流量下淹没度小于相应淹没阈值、最大流量下壅水高度小于渠道岸顶超高、最小流量下上游弗劳德数小于0.5的直角三角形量水槽体型设计方法。研究成果可为类似量水槽体型设计提供参考。

堰槽组合设施水力特性试验与数值模拟

为探究堰槽组合设施的水力特性及适用性,通过模型试验与数值模拟相结合的方法,设计3组坡度(0.1%,0.4%,0.8%)、9组流量进行水力性能试验,验证了数值模拟对于堰槽组合的适用性,探究了不同底坡下堰槽组合装置的测流机制.结果表明:3组坡度阈值相对水深为0.880,0.930和0.873,测流公式精度较高,对应的平均误差分别为1.20%,1.69%和1.74%;不同坡度下,量水槽内水深沿程降低,中垂线平均流速沿程增加,流量小于阈值流量时,综合流量系数和中垂线平均流速随流量的增加而增大;流量大于阈值流量时,在过渡段上游1/3附近中垂线平均流速大小一致,流量系数和上游中垂线平均流速随流量的增大而减小,下游随流量的增大而增大;数值模拟结果最大误差为4.16%,与试验相吻合,数值模拟适用于堰槽组合量水设施的研究.

U形渠道机翼柱型量水槽水力性能分析

为了详细探究机翼柱型量水槽应用于U形渠道的量水性能,设置了4个不同的量水槽收缩比开展水力性能试验。通过对流量、收缩比和上游水位等数据进行分析,拟合出机翼柱型量水槽的流量公式。研究还对测流精度、上游佛汝德数、临界淹没度等参数进行了详细分析。试验结果表明,机翼柱型量水槽水位~流量相关性极高,相关系数R^(2)达0.998,利用试验数据拟合出的流量公式简单易用,平均流量误差约为2.47%,上游佛汝德数小于0.3,临界淹没度最高为0.887。与传统的U形渠道量水槽相比,机翼柱型量水槽的流动公式简单易用,U形渠道机翼柱型量水槽的结构为进一步研究提供了新的思路和参考。

基于SSA-BP算法的仿鸮翼形量水槽水力性能

为了设计出构造简单、水力性能优良,同时能满足灌区量水需求的量水槽,该研究根据鸮翼曲线提出了一种仿鸮翼形渠道量水槽。首先,利用基于麻雀搜索算法的BP神经网络(sparrow search algorithm,SSA-BP)优化鸮翼展向比,得到最小水头损失的量水槽线形,并探究了优化后的量水槽在输水渠道的适用性。进一步地,在8种流量工况下,选用6组收缩比开展测流试验,结合FLOW-3D数值模拟分析仿鸮翼形量水槽水头损失、弗劳德数、壅水高度、临界淹没度等水力参数,建立测流公式。试验表明,基于SSA-BP优化的仿鸮翼形量水槽具有良好的测流性能,在建议收缩比0.60~0.66范围内,其水头损失为7.75%~14.21%,临界淹没度为0.81~0.90,上游壅水高度为0.84~3.16 cm,上游弗劳德数均小于0.42,符合灌区量水要求。建立的测流公式,平均测流误差为1.49%,测流精度较高。仿鸮翼形量水槽各项水力性能指标优良,能满足灌区测量精度,针对灌区优化水资源配置、精细化用水具有一定的推广价值。

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。

U形渠道量水槽收缩比确定方法研究

收缩比是量水槽选型的重要参数,如何确定收缩比,目前尚无公认的解决办法。基于量纲分析拟合弗劳德数和壅水高度的经验公式,探寻收缩比的确定方法。为了界定收缩比的范围和确定适宜的收缩比,在2种型号、4种比降的U形渠道上,选择5种收缩比、10种体型的三角形量水槽进行田间试验。研究表明:经验公式精确度较高,弗劳德数的平均相对误差为2.21%,壅水高度的平均绝对误差为0.76 cm。依据经验公式建立的弗劳德数、壅水高度与喉口宽度、渠道比降、渠道流量、渠道底弧直径之间的定量关系,可用于确定收缩比。基于经验公式,利用弗劳德数等于0.5和壅水高度等于渠道安全超高得到收缩比的上下限,界定了收缩比的范围。适宜收缩比可取收缩比上下限的中间值。

臂坡对堰槽组合设施紊流结构影响试验研究

堰槽组合设施在山区河流流量监测中具有很大优势,臂坡作为其关键形状参数,可以调节堰槽组合设施内水动力特性,改变堰后泥沙沉积分布和下游冲刷形态。为进一步探索臂坡对堰槽组合设施水流紊动特性的影响,通过室内试验,分析不同臂坡、来流强度及底坡因素影响下的底层水流特性变化,探究流速、紊动能、床面切应力等参数分布规律,揭示堰槽组合设施运行过程中水流能量耗散及冲刷机理。研究结果表明:臂坡影响流量的横向分布,臂坡增大加剧水流聚中,使两侧堰后水流下切回流增强,增加溯源冲刷风险;臂坡和底坡增大导致堰后两侧紊动强度及紊动能增大,加剧了堰下水流能量耗散,有效提高了设施的消能率;相比雷诺切应力法,设施后床面剪切应力计算更适合采用修正紊动能法且床面剪切应力较大值主要集中在两侧堰后区域;大尺度涡结构主要集中在排淤量水槽出口两侧,而其他涡区分布在两侧堰后区域。

量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施过流能力的影响

【目的】研究量水槽出口宽度对堰槽组合量水设施水力性能及对测流的影响,为扩大堰槽组合量水设施的适用性提供参考。【方法】对3种量水槽出口宽度(b=25,35和45 cm)在不同流量(5~71 L/s)下的35种工况进行水力性能试验,通过中垂面30个测点的水深及垂线平均流速变化,分析出口宽度对设施中垂面水面线和佛汝德数(Fr)沿程变化的影响,明确槽内流和堰槽流的流量阈值;根据流量(Q)与量水槽内测点水深的相关性,分析量水槽出口宽度对流量系数的影响,并建立不同量水槽出口宽度下的流量公式。【结果】3种量水槽出口宽度条件下,中垂面水深和Fr的沿程变化均表现出相似的规律,即中垂面水深在上游段表现稳定,进入量水槽后逐渐下降至出口后的薄水层区域;Fr值在上游段相对平稳,保持在0.1~0.2,进入量水槽后逐渐增大至最大值1.2~1.5,且增大速率沿程变大。上游段的水深和量水槽内的水深均随量水槽出口宽度的增加而减小,出口段、薄水层区域和下游壅水区域的水深受量水槽出口宽度影响不大。上游段至量水槽内部过渡扭面段的Fr值随量水槽出口宽度的增加而增大,量水槽内部梯形窄段的Fr值随着出口宽度的增加而减小。同一量水槽出口宽度下,槽内流的流量系数随流量的增加而增大,堰槽流的流量系数随流量的增加而减小。同一相对作用水头下,槽内流的流量系数随量水槽出口宽度的增加而减小,堰槽流的流量系数随出口宽度的增加而增大。基于建立的3种量水槽出口宽度下的流量公式,得到的流量计算值与实测值的相对误差均在2%以内,使堰槽组合量水设施的适用范围进一步扩大。【结论】量水槽出口宽度对上游和量水槽内的水深有明显影响,出口宽度的增加能够增大堰槽组合量水设施的流量阈值及过流能力,并使临界水深的断面位置向下游推移。

机翼型闸墩量水闸门自动测流系统研发

【目的】研发适用于小型矩形渠道的流量自动测量设施及系统,分析测流原理,建立流量公式,实现自动化测流。【方法】将机翼形量水槽与平板闸门结合,形成机翼型闸墩量水闸门流量测量设施。通过水力性能试验,分析不同流量和闸门开度下的过流特性。以STC89C51RC为核心研发自动测流系统,包括测流设施、数据处理与通讯设施及动力设施3个主要组成部分。【结果】机翼型闸墩量水闸门的闸孔出流与堰流的判别阈值为0.77~0.82,通过不同闸门开度下的淹没度判别自由出流和淹没出流,建立了闸孔出流和堰流的流量计算公式;应用超声波传感技术获取水位、闸门开度等信息,编写内置流量计算软件,实时采集和输出渠道流量;采用光伏设施提供系统所需动力。【结论】机翼型闸墩量水闸门自动测流系统测流精度较高,可为灌区小型矩形渠道自动化测流提供参考。

不同收缩形式长喉槽收缩率与泥沙淤积特性研究

长喉槽是一种经济、稳定、水头损失较小的量水设施,为优化其体型设计,并为其应用于含沙水流渠道量水提供参考,采用三维流体力学计算软件对不同收缩形式长喉槽内部的水流与泥沙特性进行了模拟计算。在验证数值模型可靠性的前提下,由弗汝德数、渠道超高分析确定了收缩率取值区间:仅有侧收缩形式0.36~0.40、仅有底收缩形式0.40~0.72、既有侧收缩又有底收缩形式0.36~0.73;水流含沙时,模拟结果表明泥沙主要淤积在长喉槽上游行近渠段,并且泥沙淤积厚度:仅有侧收缩形式<既有侧收缩又有底收缩形式<仅有底收缩形式。研究表明3种收缩形式长喉槽中,既有侧收缩又有底收缩形式结构设计灵活度高,从泥沙淤积角度考虑,仅有侧收缩形式最优,结论可为我国多沙河流灌区的长喉槽量水设计提供技术依据。

环形水槽系统结构设计及最佳转速比研究

该文阐述了旋转环形水槽系统结构,分为上层旋转装置、中部环形水槽、底部支撑及测控系统4个部分。环形水槽是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流,它相当于过水断面水流状态相同的无限长的水槽,通过改变二者的相对转速到达最佳转速比,极大程度削弱横向环流的产生。环形水槽常用于模拟一般河流的水流结构,来研究细颗粒泥沙的起动、沉降等问题,它是水利研究人员用以研究泥沙运动特性的先进辅助设备,有着非常好的推广前景。该文利用环形水槽对最佳转速比问题开展研究,研究成果可为今后进一步开展环形水槽相关实验提供基础。

矩形渠道半圆柱形简易量水槽试验研究

研究渠道量水设备,是灌区迫切需要的灌溉管理关键技术之一。该文在Samani.Z和Magallanzez.H对矩形渠道半圆柱形量水槽的研究基础上,选择与其不同的3种收缩比(0.43,0.51,0.64),在矩形渠道中进行了48组试验,试验结果与Samani.Z和Magallanzez.H的20组试验数据以及HagerH.的12组试验数据资料表现出极好的相关性,相关系数为R2=0.9958。拟合的具有指数形式的流量计算公式简明实用,流量计算平均误差为3.03%,淹没度可达0.85。

U形渠道便携式板柱结合型量水槽水力性能研究

针对灌区小型渠道数目多、需测控的断面多、而宜采用的移动式量水设备仍不够完善的问题,借鉴移动式薄板量水槽和圆柱量水槽的优点,设计了一种便携式板柱结合型量水槽,在分析量水槽测流机理的基础上,开展原型试验和数值模拟研究,并应用量纲分析法建立测流公式。结果表明,量水槽具有较好的水位流量关系,上游壅水高度在1.85~13.69cm之间,临界淹没度在0.70~0.91之间,槽前弗汝徳数均小于0.5;板柱结合型量水槽比现有的圆柱量水槽和带尾翼的圆头量水槽体型小,便携度高,流线分布稍差,上游壅水高度稍大,临界淹没度稍低,但能满足灌区测流要求;量水槽测流精度高,平均测流相对误差为2.07%。

U形渠道适宜量水设施及标准化研究

对已有U形渠道量水技术进行了比较评价,提出了适宜于不同规格U形渠道的量水技术与设施的选配模式。开展了U形渠道平底抛物线形无喉段量水槽设计与标准化研究,提出了以抛物线形状系数P值为指标的共计28个标准量水槽,并在实验室和灌区进行了实验和现场观测,结果表明,实测值与理论值吻合较好,满足测水要求。

梯形渠道机翼形量水槽试验

基于Hager对圆锥筒及圆柱体量水槽测流原理分析,推求出梯形渠道机翼形量水槽在自由出流时的流量理论计算公式,指出流量校正系数可由相对水头确定。选择6种收缩比进行了一系列室内模型试验,并根据试验数据建立了相对流量与相对水头的无量纲关系式。结果表明,相对流量与相对水头具有良好的相关关系,流量计算最大相对误差为±3.5%,该量水槽临界淹没度可达0.90,控制断面收缩比为0.372-0.585时可得到较好的量水效果。

U形渠道抛物线形喉口式量水槽选型与设计

介绍抛物线形喉口量水槽的选型、设计方法、量水槽流量计算以及量水槽适用条件 ,便于灌区应用。

红外实时测沙仪研制及其应用

环形水槽是研究细颗粒泥沙的理想装置,但测沙技术的相对滞后极大地制约了环形水槽的使用。为改进环形水槽的传统测沙技术,自主研发完全开放式的实时在线测沙仪器,力求在水槽中实验水样的自然流态下实时测量垂线悬浮泥沙含量。采用光源调制技术,结合特殊的光路设计,将含沙量转换为现代实验技术易于处理的电信号。并针对环形水槽的特殊工作方式,设计数据采集和无线传输接口,送入计算机进行数据后处理及综合分析,实现了含沙量的在线实时量测。实测实验表明数据线性度高,重复性好,有较大的实用价值和创新意义。

U形渠道圆柱体量水槽研究

基于前人圆柱体量水槽测流原理分析,得出了底部为圆弧两侧为斜坡的U形渠道圆柱体量水槽的流量理论计算公式,提出其流量校正系数可以由相对能量（上游水头与底部弧段弦长之比）的函数求得,并根据试验资料建立了相对能量和相对流量（实际流量与计算流量之比）的无因次关系式.并在试验水槽中进行了标定,试验表明：相对能量和相对流量具有非常好的相关关系,量水槽的测量相对误差为3.78%,最大淹没度为0.84,量水槽的断面收缩比建议采用为0.57～0.69.该种量水槽具有结构简单,施工制作容易,可以拆卸,不产生淤积,使用方便.

U形渠道圆柱形量水槽的试验研究

选择了3种收缩比,分别为0.701、0.636和0.476,在U形渠道上对圆柱形量水槽进行了一系列的试验。试验结果表明,圆柱形量水槽的行近断面总水头H1与驻点水头Hs存在很好的相关性,相关系数等于0.9984。圆柱形量水槽的流量系数Cd不仅与相对水头Hs/L有关,与收缩比ε大小也有明显的关系,Cd随着Hs/L和ε的增大而增大。根据试验数据拟合的流量计算公式简明实用,自由出流时的流量计算平均误差不超过3.92%。