（水力学及河流动力学专业论文）灌区量水槽试验与数值模拟研究.pdf

摘要 灌区量水槽试验与数值模拟研究 水力学及河流动力学专业 研究生：苏华英指导教师：戴光清教授 摘要 灌区量水作为灌区水资源优化配置和现代化管理的基本手段，正日益得到普 遍重视。近几年来，随着经济自立灌排区的试点和推广，使得灌区的量水任务更 加繁重；同时，对灌区的量水建筑物提出了更高的要求。 在农业灌溉和工业及生活取水明渠计量中，如何进一步提高测量精度、扩大 测量范围以及增强量水设施的排污排沙能力等都需进行深入研究。本文结合长喉 道量水槽和无喉道量水槽在四川省升钟灌区南充干渠上的设计应用，在现有量水 设施的基础上提出了一种新的适于矩形渠道的v 形直壁式量水槽，并对其进行 了理论分析、模型试验和数值模拟研究。主要研究成果和结论如下： ( 1 ) 对现有量水设施的研究现状进行了较为系统的总结和归纳。 ( 2 ) 对长喉道和无喉道量水槽在升钟灌区南充干渠上的应用进行了设计研 究。 ( 3 ) 利用临界水深理论，结合能量方程对新型的v 形直壁式量水槽的量水 原理进行了理论分析，并推导出了相应的流量计算公式。通过模型试验，对v 形直壁式量水槽体型进行了优化，并率定了理论公式中的流量系数的关系式。实 测表明，v 形直壁式量水槽的测流关键是在喉道段形成临界水深；当体型确定之 后，根据上游行近断面的水深，就可以用理论公式算出此时通过量水槽的实际流 量。 婴型查堂三兰堡主兰焦笙苎 ( 4 ) 采用标准的k - e 紊流模型，引入v o f 法对v 形直壁式量水槽在各工 况下的流场进行了三维数值模拟，得到了v 形直壁式量水槽不同工况下的沿程 水面线、速度等重要水力参数；数值模拟结果与模型试验结果吻合良好。 ( 5 ) 通过试验研究和数值模拟，进一步探明了v 型直壁式量水槽的水力特 性。研究表明：在相同测量范围内，v 形直壁式量水槽的量水精度高于长喉道量 水槽，渠道上游壅水小于长喉道量水槽；当渠道上游壅水相当时，v 形直壁式量 水槽的测流范围大于长喉道量水槽；由于体型结构特点，v 形直壁式量水槽的排 污、排沙能力亦优于长喉道量水槽。v 形直壁式量水槽在矩形渠道的流量计量中 具有很好的推广应用价值。 关键词：量水槽；v 形直壁式；矩形渠道；数值模拟；v o f 方法 a b s t r a c t e x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f m e a s u r i n g f l u m eo f i r r i g a t i o na r e a m a j o r ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a m i c s p o s t g r a d u a t e ：s uh u a y i n gs u p e r v i s o r ：p r o f d a ig u a n g q i n g a b s t r a c t i r r i g a t i o n a r e aw a t e rm e a s u r e m e n t ，w h i c hi st h eb a s a lm e a n so fo p t i m i z e d c o l l o c a t i o na n dm o d e mm a n a g e m e n to fw a t e ri f s o u r c ei ni r r i g a t i o na r e a , i sg e t t i n gh o l d o fr e c o g n i t i o n i nt h e s ey e a r s ，a l o n gw i t he x p e r i m e n t a lu n i t sa n de x t e n s i o no f s e l f - f i n a n c i n gi r r i g a t i o na n dd r a i n a g ed i s 缸c lt h ea s s i g n m e n to fw a t e rm e a s u r e m e n t b e c o m e sh e a v i e r a tt h es a m et i m e ，t h er e q u e s tt os f f u c t u r e so fw a t e rw e a s u r e m e n ti s h i g h e r a c c o r d i n gt oa g r i c u l t u r a li r r i g a t i o na n dw a t e ru s e dt oi n d u s t r ya n dl i v i n g ，t h e p r e c i s i o no fw a t e rm e a s u r e m e n ti no p e nc h a n n e li sn e e d e d t ob ea d v a n c e d ，t h es a l l l ea s m e a s u r i n gr a n g ea n d s i l td i s c h a r g ec a p a c i t yo f e s t a b l i s h m e n t b a s i n go nt h ed e s i g n m e n t a n da p p l i c a t i o no fu s u a lm e a s u r i n gf l u m et on a nc h o n gc h a r m e l ，w h i c hi so n eo f c h a n n e lo fs h e n gz h o n gi r r i g a t i o nd i s t r i c ti ns i c h u a n ，an e wm e a s u r i n gf l u m eo f v - s h a p es t r a i g h tw a l lt y p e ，w h i c hi su s e dt or e c t a n g u l a rc h a n n e l ，i sp u tf o r w a r d t h e l l e wm e a s u r i n gf l u m ei ss t u d i e db yt h e o r y , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa l ea sf o h o w ： ( 1 ) t h ec u r r e n tf r u i to fm e a s u r i n ge s t a b l i s h m e n t i sc o n c l u d e db yt h en u m b e r s ( 2 ) t h ea p p l i c a t i o no fl o n gg o r g ew a t e rm e a s u r i n gf l u m ea n dg o r g e l e s sw a t e r m e a s u r i n gf l u m et on a nc h o n gc h a n n e lo fs h e n gz h o n g i r r i g a t i o nd i s u i c ti ss t u d i e d 0 ) m a k i n gu s e o fc r i t i c a lw a t e rd e p t ht h e o r ya n de n e r g ye q u a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo f n e wm e a s m i n gf l u m ei sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n dt h ef o r m u l au s e dt oc a l c u l a t e 丌t 四川大学工学硕士学位论文 d i s c h a r g ei se d u c e d t h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，t h eb o d i l yf o r mi so p t i m i z e d ， a n dd i s c h a r g ec o e f f i c i e n to ff l o wf o r m u l ai sc a l i b r a t e d o b s e r v e dd a t ai n d i c a t e st h a tt h e c r i t i c a lf a c t o ro fw a t e rm e a s u r e m e n tf o rt h en e wm e a s u r i n gf l u m eo fv - s h a p es t r a i 曲t w a l lt y p ei st h ec r i t i c a lw a t e rd e p t hc o m i n gi n t ob e i n gi ng o r g e i nt h a tw a y , w h e n b o d i l yf o r mi sc o n f i r m o d ，b a s i n go nt h ew a t e rd e p t ho fu p r i v e ra p p r o a c hc r o s ss e c t i o n t h ec u r r e n td i s c h a r g ec a nb eg a i n e db yt h e o r e t i c a lf o r m u l a ( 4 ) t h es t a n d a r dk - st w o 嵌l u a t i o nt u r b u l e n c em o d e la n dv o fm e t h o d sa l eu s e dt o s i m u l a t et h r e ed i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o wo ft h em e a s u r i n gf l u m eo fv - s h a p es t r a i g h t w a l lt y p e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e a s u r i n gf l u m ei nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s m e n t i o n e da b o v ea l eo b t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，a n dt h e ya r ei ng o o da g r e e m e n t ( 5 ) t h r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c sa r ep r o v e du pu l t e r i o r l y t h es t l l d yi n d i c a t e s t s ：i nt h es a m em e a s u r i n g r a n g e ，t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h em e a s u r i n gf l u m eo fv - s h a p es u a i g h tw a l lt y p e i sh i g h e rt h a nt h a to fl o n gg o r g ew a t e rm e a s u r i n gf l u m e ，a n di t su p d s ei sl o w e rt h a n l o n gg o r g ew a t e rm e a s u r i n gf l u m e s ；w h e nt h eu p r i s ei st h es a m e ，i t sm e a s u r i n gr a n g e i s 埘d et h a nl o n gg o r g ew a t e rm e a s u r i n gf l u m e s ：b e c a u s eo f i t sp a r t i c u l a rs t r u c t u r e ，t h e m e a s u r i n gf l u m eo fv - s h a p es | r a l g h tw a l lt y p ei s b e t t e rt h a nl o n gg o r g ew a t e r m e a s u r i n gf l u m eo nt h es e d i m e n tf l u s h i n ga n db l o w d o w n t h u si tc a n b es e e nt h a tt h e m e a s u r i n gf l u m eo fv - s h a p es t r a i g h tw a l lt y p ei sw o r t h yo fp o p u l a r i z a t i o ni nt h ew a t e r m e a s u r e m e n t o f r e c t a n g u l a r c h a n n e l k e yw o r d s ：m e a s u r i n gf l u m e ；v - s h p es t r a i g h tw a l lt y p e ；r e c t a n g u l a rc h a n n e l ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；v o fm e t h o d i v 第一章概论 1 概论 1 1 灌区量水的意义 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是人类生存与发展的生命 线，水资源的可持续利用直接关系全面建设小康社会目标的实现，已成为全社 会的共识“。 我国是一个水资源短缺的国家。人均水资源量约为2 2 0 0 m 3 ，约为世界平均 水平的四分之一。由于各地区处于不同的水文带及受季候风影响，降水在时间 和空间分布上极不均衡，水资源与土地、矿产资源分布和工农业用水结构不相 适应。水污染严重，水质型缺水更加剧了水资源的短缺。水资源供需矛盾突出。 全国正常年份缺水量约为4 0 0 亿m 3 ，水危机严重制约我国经济社会的发展。由 于水资源短缺，部分地区工业与城市生活、农业生产及生态环境争水矛盾突出。 部分地区江河断流，地下水位持续下降，生态环境日益恶化。近年来城市缺水 形势严峻，缺水性质从以工程型缺水为主向资源型缺水和水质型缺水为主转 变。城市缺水由地区性问题演化为全国性问题的趋势，一些城市由于缺水严重 影响了城市的生活秩序，城市发展面l 临挑战。随着经济社会发展，用水量持续 增长，用水结构不断调整。2 0 0 3 年农业用水( 含林业、湿地等) 占总用水量的 比重已由1 9 8 0 年的8 8 下降到6 6 ，城镇生活用水由2 提高到1 1 9 。由于 我国各地经济社会发展水平和水资源条件不同，用水结构差异显著。城乡生活 及工业用水的增加，用水结构将进一步调整，对供水水质和保障率的要求更高。 节约用水、高效用水是缓解水资源供需矛盾的根本途径。节约用水的核心是提 高用水效率和效益。目前我国万元工业增加值取水量是发达国家的5 1 0 倍， 我国灌溉水利用率仅为4 0 - - 4 5 ，距世界先进水平还有较大差距，节水潜力 很大 2 1 。 灌区量水，作为灌区水资源优化配置和现代化管理的基本手段，正日益得 到普遍重视口】。随着国民经济的发展和生态环境意识的提高，对有限水资源的 需要与日俱增，各个用水单元之间的矛盾也越来越突出。与此同时，水资源的 开发成本却日渐加大。在此j 隋况下，对水资源进行有效地监控己越来越迫切， 四川大学工学硕士学位论文 精度也越来越高。2 0 世纪9 0 年代以后对灌区用水进行计量的呼声越来越高， 2 0 0 2 年颁布的新“水法”中明确规定用水应当计量，并应按照批准的用水计划用 水，实行计量收费，超额累计加价【4 】。因此，大力配置量水设施，实现定额供 水和按方收费已是十分迫切的任务。 随着社会主义市场经济的发展及水资源的日益紧张，对灌区用水进行有效 的控制和精确的量测变得更为重要。 为指导节水技术开发和推广应用，推动节水技术进步，提高用水效率和效 益，促进水资源的可持续利用，我国制订了中国节水技术政策大纲。其中 提到：加快发展灌区量测水技术，鼓励研究、开发与推广精度高、造价低、适 用性强、操作简便、便于管理和维护的小型量水设备【2 】。 灌区量水是推进节水农业的重要手段。灌溉水资源不足已经成为制约农业 发展的重要因素，节水农业是未来农业发展的必然选择，它的中心是减少水量 浪费，提高水分利用效率。灌区量水可及时准确地测算出水源引入渠系和分配 给各级渠系及各用水单位的水量，据此可分析出各级渠道的输水损失，为灌区 的继建配套和节水改造提供依据。对照灌溉面积和作物布局，可检查用水户的 灌水效率，加强田间水分管理，减少水量浪费，另外还可准确评价各种措施的 节水效果，大大推动节水经验的推广。 灌区量水是合理配置水资源的基础。水资源的合理配置主要是根据需水要 求和可供水资源状况，在不同地区和作物不同生育阶段进行水量的优化调度。 有限水资源条件下科学的水量调配，首先必须有量的概念，因此量水设施是上 述理念得以实施的基本条件，是实行计划用水、调整供配水方案的基础。 灌区量水是加强水价管理的基本条件。2 0 0 0 年国家下达了按实际供水和规 定的水价标准征收水费的通知，但由于缺少量水设施，因此我国大多数灌区仍 采用按灌溉面积收费的形式，这不仅助长了水量的浪费，而且也容易导致管理 单位和用水户之间的矛盾，给水费计收带来难度。而灌区量水将成为计收水费 的依据，也是通过经济手段促进节水，实行定额供水、超量加价的基本条件。 灌区量水是改善水环境的有效措施。灌区量水能够在一定程度上避免大水 漫灌，有效减少渗漏，合理控制地下水，减轻土壤次生盐碱化，同时能减少氮 磷流失，减轻农业面源污染和环境负荷。另外，节水补源作用，还可改善区内 水文条件，为区域湖泊补充水源，美化环境吲。 近几年来，随着经济自立灌排区( s e l f - f i n a n c i n gi r r i g a t i o na n dd r a i n a g ed i s t r i c t ， 翌二望塑笙 简称s i d d ) 的试点和推广，使得灌区的量水任务更加繁重。同时，对灌区的量 水建筑物提出了更高的要求。一方面，量水建筑物必须满足测量精度高、结构 简单、操作方便、坚固耐久的要求；另一方面，还必须满足造价低廉、经济耐 用的要求，符合灌区经济发展水平，具有全面推广的可能【6 】。因此，研究符合 我国灌区目前经济发展水平、价格低廉、测量精度高、测流范围广、具有推广 价值的量水设施，应成为当前灌区量水研究的基本出发点。 灌区量水一般是针对农业灌溉和工业及生活取水。而在农业灌溉中，泥沙 等杂物容易淤积在渠道中，故量水设施的排污排沙能力应重点考虑。为了能更 精确的量水，小流量的测量精度也是非常重要。所以，本文研究的重点主要是 考虑测量精度和测量范围的情况下，兼顾量水设施的排污排沙，在现有量水设 施的基础上优化一种新的体型，这对灌区量水具有尤为重要的意义。 1 2 灌区量水研究的现状 1 2 1 灌区量水的方法及设施 灌区流量测量主要是明渠水流的测量。明渠断面的形式主要有梯形断面以 及梯形断面的演变形式( 如：弧脚梯形断面，弧底梯形断面嘲) 、矩形断面、u 形断面、抛物线形断面、马蹄形断面以及复合断面等【9 】。 明渠测流比较复杂，因为明渠有自由面，其过水断面面积和流速会随着流 量的变化而变化。多年来，水利工作者对明渠测流的方法进行了大量的研究， 取得了丰硕的成果。明渠测流的方法概括起来有以下几种“0 】： ( 1 ) 流速面积法； ( 2 ) 坡降一水力半径一面积法； ( 3 ) 稀释法： ( 4 ) 水工建筑物方法。 流速面积法测流是通过测量河渠某过水断面的流速和面积来测流的。其依 据是流量等于某过水断面上流速的积分，这种方法可用于特定的时间和地点 的临时测流。 四川大学工学硕士学位论文 坡降一水力半径一面积法测流是根据明渠均匀流的理论，只要测出渠道正 常水深，渠道某一渠段的水面坡降，平均过水断面面积和湿周，代入曼宁公式 或流速对数律或指数律这样的阻力公式计算流量。 稀释法测流是采用适当比例的盐溶液，等量注入所测量河渠的入口断面 处，并在下游某一断面测量化学盐的浓度，渠道中注入溶液中化学盐的浓度与 下游断面化学盐的浓度之比乘以化学盐溶液注入量即得渠道中水流的流量。稀 释法要求渠道中水流的紊动程度高，以便使注入溶液与全部水流充分融合，并 贯穿于整个流程。这种测流方法常用于山区河流和洪水中。 水工建筑物测流是利用特设的量水槽、量水堰或闸门、跌水等建筑物测流。 其原理是预先建立流量与实测水位的关系，这种流量水位关系可以根据基本物 理定律建立，也可根据实验得到流量水位的经验数据。水工建筑物测流的主要 类型有： i ) 量水槽 量水槽也叫临界水深槽【l l 】，是明渠常用的测流建筑物。量水槽分为长喉道 量水槽、短喉道量水槽和无喉道量水槽。 长喉道量水槽只要量水槽的几何尺寸确定以后，就可以用临界水深理论求 出水位与流量的关系。常用的长喉道量水槽有1 2 1 ：矩形断面长喉道量水槽、 梯形断面长喉道量水槽、三角形断面长喉量水槽、u 形渠道直壁式量水槽“”、 u 形断面长喉道1 4 6 1 、抛物线形断面长喉道量水槽”。长喉道量水槽的体型如 图1 1 所示。 a ) 长喉道量水槽平面图 4 一 翌竺 第一章概论 _ 、_ b ) 长喉道量水槽1 - 1 剖面图 c ) 长喉道量水槽2 - 2 剖面图 图1 1 长喉道量水槽的体型图 长喉道量水槽的特点：长喉道槽由上游收缩段、狭长的喉段和下游渐扩段 组成，原则上可用于任意形状渠道。长喉道量水槽有较为完善的理论计算方法； 结构简单，施工方便；行进渠道断面可以为任意形状，适应性强；上游水头与 流量的关系稳定，测流精度较高，水头损失较小、不易受下游水位影响；适用 于水头宝贵的平原灌区及坡降较缓的灌溉渠道；流量率定表可根据现场已建量 水堰的具体尺寸计算确定，率定工作简便可靠。长喉道槽的缺点是在渠道断面 尺寸较大时，量水槽尺寸较大；渠道清淤很不方便；大流量时渠道雍水较高。 常用的短喉道量水槽：巴歇尔量水槽1 8 ，1 9 矩形短喉道量水槽叫和抛物线 形短喉道量水槽口”。短喉道量水槽由于喉道短，过槽水流流线弯曲大，无法用 理论公式计算，只能通过实验率定，且不能比尺效应较大。 无喉道量水槽 2 2 1 是在长喉道量水槽基础上取消喉道而改制的量水设备，只 有进口收缩段和出口扩散段，它是一种文丘里临界水深槽，水流在槽前为缓流， 经进口收缩渐变段时不断加速，在喉口下游附近出现临界水深，后进入急流状 四川大学工学硕士学位论文 态，与下游渠中水流衔接。因此下游水流在相当大水深范围对上游水流无干扰， 过槽流量只与槽前水深和量水槽的几何尺寸有关。无喉道量水槽的体型如图1 2 所示。 ，= = ：e ! 5 i 竺 i ：多多彳i = 一： ： a ) 无喉道量水槽平面图 b ) 无喉道量水槽1 - 1 剖面图 c ) 尢喉遭量水槽2 _ 2 剖面图 图1 2 无喉道量水槽的体型图 无喉道量水槽的尺寸相对较小，比较经济，但测流精度不及长喉道槽，量 水槽的具体尺寸只能按标准尺寸修建，在已建渠道中应用不便。 2 ) 量水堰1 量水堰( 如薄壁堰、宽顶堰) 一般要求上下游水位差比较大，需要抬高底 坎、易造成淤积。量水堰有三种形式： 6 翌二堡堑堡 ( 1 ) 薄壁堰。如三角堰、矩形堰、梯形堰、抛物线形堰、圆形堰等。薄壁 堰的量水精度高，常用于实验室率定流量，但当小流量通过薄壁堰时，易发生 水流贴壁现象，此时水位流量关系与正常堰流时的水位流量关系不一致，不能 用常规公式进行计算。 ( 2 ) 宽顶堰。这种堰也叫长底堰，是明渠上常用堰形之一。宽顶堰有矩形 宽顶堰、圆头形宽顶堰和无底坎宽顶堰。 ( 3 ) 实用堰。实用堰有曲线形实用堰和折线形实用堰。曲线形实用堰常用 于大坝泄洪等大、中型水利工程。 上述三种堰形的判断条件是堰的厚度l 和堰上水头h 的比值，当 r 兰 0 6 7薄壁堰 爿 r 0 6 7 三 2 5实用堰 h r 0 2 5 三 1 0宽顶堰 爿 除上述量水堰槽外，还有已不能按上述堰、槽隋况分类的其他量水形式， 如三角形剖面堰、平坦v 形剖面堰等。三角剖面堰的特点是流量系数比较稳定， 趋近于一恒定值，施工比较方便，但堰高较大，上游雍水高。 所谓平坦v 形剖面堰1 2 4 1 ，是从横剖面( 顺水方向) 看，下部堰体缺口呈开 阔的v 形，上部由侧墙组成矩形，纵剖面呈三角形，上游坡度l ：2 ，下游坡度 1 ：5 ，堰顶横向坡度l ：1 0 ，即横向边坡系数m = 1 0 。平坦v 形剖面堰的体型 如图1 - 3 所示。 a ) 平坦v 形堰平面图 7 四川大学工学硕士学位论文 b ) 平坦v 形堰1 - 1 剖面图 c ) 平坦v 形堰2 - 2 剖面图 图1 3 平坦v 形堰体型图 平坦v 形堰是一种新型的量水建筑物，其最大特点是测小流量时灵敏度 高，而测大流量时上、下游水头差较小，因而适用的流量变化幅较大。其测流 精度及流态均优于宽顶堰和实用堰。国际标准化组织( i s o ) 已对矩形槽中平 坦v 形堰颁布了国际标准 z 5 2 6 1 。 堰槽运行特性分析的关键在于确定流量公式中的各种系数，这些系数取决 于流体的性质，并与建筑物上的作用水头和决定建筑物几何特性的主要尺寸有 关。 3 ) 闸孔出流测流 闸孔出流是利用闸门开度和闸门的上下游水位差来确定闸孔通过的流量。 闸孔出流分为宽顶堰上的闸孔出流和曲线形堰上的闸孔出流，还分为平板闸门 和弧形闸门，闸门形式不同，其流量系数也不一样。 4 ) 跌水测流1 0 】 跌水测流是利用河渠断面的突然不连续，在河渠上形成自由溢流的形式， 在跌水末端由于渠底阻力突然消失和重力的作用，使得水流突然跌落，水深小 于临界水深。渠道水流从正常水深变为小于临界水深，则在跌水上游某一断面 8 。 笙二兰竖堡 必然出现l 缶界水深断面，通过实验找出跌水末端水深与临界水深的关系，即可 用临界水深公式计算流量。 灌区测流方法及量水设备是灌区量水的基本方法，多年来一直为人们所采 用，今后还将继续运用下去。但这些量水设施的流量计算均采用经验公式，使 量水的范围和精度受到影响。 在现阶段，技术复杂、维修不便且价格昂贵的超声波流量计等电子测流仪 器适合我国灌溉渠系大量使用阱】；水文测验中的流速断面法、示踪法、浓度法 等测量精度差、费时多，难以满足灌溉量水要求 2 9 “3 0 1 ；堰类量水建筑物( 如薄 壁堰、宽顶堰) 一般要求抬高底坎、易造成淤积；孔类量水装置( 如孔板、喷 嘴等) 要求有压出流且孔口较小，易引起非溶解物( 如泥沙、浮冰、杂草等) 壅积或堵塞 2 9 3 2 】。因此，槽类量水建筑物被认为更适合灌溉渠道应用。这类量 水装置一般具有水位跌差小、不易淤积、容易建造、测量精度较高等优点口1 删。 1 2 2 前人对量水槽的研究成果 对量水技术和设备的研究最早始于1 9 世纪2 0 年代，经过p a r s h a l l 等人的 努力，量水堰和量水槽在灌区量水中得到了初步的应用。1 9 2 0 年p a r s h a u 提出 了巴歇尔( p a r s h a l l ) 量水槽m 】；1 9 6 7 1 9 7 2 年s k o g e r b o e 等又提出矩形无喉道 量水槽，现已广泛适用于梯形和矩形渠道，但由于其临界淹没度较小 ( o 6 0 8 ) ，缓坡渠道上多产生淹没出流，测量精度差。上述二槽使用经验水位 一流量关系，且水头测量断面的佛汝德数较大，水位波动对测流精度有显著影响 【3 3 】。k h a f a g i 槽、h 槽【3 1 1 和矩形、梯形长喉道量水槽也有应用，但上述槽皆 为折线形断面，一般用于折线形渠道，用于曲线形渠道时因过渡段连接不善等 原因，误差较大 3 4 】。国际标准介绍了准针对矩形渠槽的三角形剖面堰，但其缺 点是：堰高较大，上游雍水高。 针对u 形渠道测流，国外提出的u 形( 圆底形) 喉道测流槽u ”2 】，用行 近渠道与喉道的面积比在任何流量时行近渠槽的佛汝德数f r k 时 a 。= b ( h k k ) + 昙西k = 6 ( k 一丢h o ( 3 3 ) 由式( 3 - 2 ) 及式( 3 3 ) 得出 心：尘笙+ 三k ( 3 - 4 ) 建立能量方程： 日+ 警吐+ 筹+ 善竖2 9 吐+ 番 s ， 2 9 2 9 。 2 9 妒2 式中伊为流速系数： 为局部阻力系数；h 为上游水深。令 习画 第三章v 形直壁式量水楷体型设计及量水原理 则式( 3 - 5 ) 变为 即日+ 警 耻”啬砒+ 丽2 式中h 。为计入行近流速是上游水头。由式( 3 6 ) 解出 q = 舛。压面两 则 嵋一 g h 。一；k 1 a - i - _ 2 q 9 2 由式( 3 - 4 ) 及式( 3 8 ) 得 2 五h 矿 1 2 叩2o + = ( 3 6 ) ( 3 7 ) + 丽0 21 = 竖g ( n + 与2 q 9 + 三2 2 9 妒2 、 ” 1 ( 3 _ 8 ) ( 3 _ 9 ) 将式( 3 9 ) 和式( 3 3 ) 带入( 3 7 ) 得v 形直壁式量水槽的流量 一2 压谛邶。一昙) 2 q 2 1 帝面i 卜 ( 3 - 1 0 ) 并与堰流公式 q = m 6 互西0 3 2 比较得出v 形直壁式量水槽的流量系数理论式为 2 ) 当玩 l 。 3 0 第四章v 形直壁式量水槽的试验研究 4v 形直壁式量水槽的试验研究 由于本文所提出的新型量水槽存在三维方向上的变化，难以用传统的( 经验) 标准判别其水头损失，而必须通过试验进行验证和修正。本章主要采用基于相似 规律上的物理模型试验的方法来研究量水槽的水力特性。 4 1 模型试验的基本原理 模型试验一般是在小于原型的模型中进行试验。要使模型试验能够很好的模 拟原型，必须满足几何相似、运动相似、动力相似这三方面的相似特征田1 。其中 几何相似是动力相似、运动相似的前提，动力相似是决定流动相似的主导因素， 运动相似是几何相似和动力相似的表现。 量水槽原型水流大都是重力作用下的阻力平方区，因而决定性的模型相似准 则是佛汝德准则。即模型如能做到几何相似、边界条件相似，并保证其水流也属 于阻力平方区紊流，就可认为得到了动力相似模型，模型上观测得到的各水力要 素，即可按佛汝德准则所决定的相似比尺换算到原型。 满足这种准则的几项重要的物理量的比尺与模型比尺丑的关系式如下： 屯= 丑“5 ( 4 1 ) 如= 矿 ( 4 2 ) a = 0 5 ( 4 - 3 ) a 。= 丑 ( 4 - 4 ) 式中，丑为长度比尺，无为速度比尺，如为流量比尺，丑为时间比尺，以 为糙率比尺。 四川大学工学硕士学位论文 4 2 量水槽初步设计 本节首先测量各工况下未安放量水槽的渠道水深，以便分析安放量水槽后渠 道水深的变化，然后将对初设体型进行水工模型试验研究，观测量水槽在各种流 量下的水流流态，并实测渠道各个工况下量水槽水面线、流速等水力参数。 4 2 1 渠道概况及模型比尺 参照升钟灌区南充干渠渠首段的体型，取一顺直渠道，断面为矩形，渠道长 7 5 m ，宽4 m ，高6 m ，坡度为1 ：7 5 0 ，出口水流自由跌落。渠道设计流量为2 8 8 8 m 3 s ， 渠道糙率n = 0 0 2 。 本模型试验将主要对流量为2 8 8 8 m 3 s 、1 6 5 m 3 s 、1 0 3 3 m s s 、2 1 4 m 3 s 的工 况进行研究。 根据相似原理要求，水力学模型设计按重力相似准则设计，模型为正态模型。 根据试验场地、糙率问题以及供水能力，模型几何比尺选定为a ，= 2 0 。由此可 导出其它比尺( 见表4 1 ) 。表4 2 为实测的各工况下渠道的平均水深。 表4 1 各种模型比尺关系 & n 比r 2 1丑= 2 0 流速比尺无九= 驾5 = 4 4 7 糙率比尺丸丸= 衫= 1 6 5 n l l ) 2 2 ,丑= 驾5 = 4 4 7 重力比尺砧砧= 前= 8 0 0 0 面积比尺九以= 衙= 4 0 0 体积比尺九a v = 瑁= 8 0 0 0 第四章v 形直壁式量水槽的试验研究 表4 2 各工况下渠道的平均水深( 单位：m ) 流量( m 3 s ) 距取水口( m ) 2 8 8 81 6 51 0 3 32 1 4 1 2 0 02 3 7l _ 6 11 2 70 5 3 1 6 0 02 2 61 6 21 2 70 5 3 2 0 0 0 2 4 l 1 6 31 2 5 0 5 3 2 4 0 0 2 1 91 7 0l _ 2 40 5 3 2 8 0 0 2 3 6 1 7 01 2 3 0 5 3 3 2 0 0 2 2 0 1 6 l1 2 l0 5 1 3 5 0 0 2 2 7 1 5 91 2 20 5 l 3 6 8 0 2 2 2 1 5 91 1 90 5 l 4 0 8 02 2 l1 5 81 1 8o 4 9 4 4 4 02 1 61 5 61 1 70 4 9 4 8 0 02 1 71 5 41 1 50 4 9 5 2 0 02 0 8l _ 5 l1 1 40 4 9 5 6 0 02 0 31 4 71 1 00 4 7 6 0 0 01 9 7 1 4 5 1 0 7 0 4 6 6 4 0 0 1 8 71 3 61 0 50 4 5 4 2 2 量水槽初步设计方案体型 由于v 形直壁式量水槽主要是在长喉道量水槽的基础上提出的，且它的量 水原理与长喉道量水槽类似，为了对比分析，本文针对渠道工况将设计一典型长 喉道量水槽和一v 形直壁式量水槽，将其安放在距渠道进口3 5 m 的位置。 根据第二章的相关研究结果，针对上述渠道设计一长喉道量水槽，其进口收 缩段长1 8 m ，喉道段长为4 m ，喉道段宽为3 4 m ，槽底坎高为0 6 m ，出口扩散 段长为3 6 m 。在量水槽前1 4 m 处安放一测针，用以测量上游行近渠道断面水深。 长喉道量水槽的具体设计见图4 1 。 四川大学工学硕士学位论文 一2 ( 平面图) p + l 斗叫 单位：米 ( 卜1 剖面图)( 2 2 剖面圈) 图4 1 长喉道量水槽结构图 设计一v 形直壁式量水槽，三角形底，进口收缩段长1 8 m ，喉道段长4 m , 喉道两边收缩均为0 3 m ，出口扩散段长3 6 m 。具体设计见图4 2 。 2 i 。f i ”l 9 l 2 ( 平面团 叫。卜堑一 单位：米 飓 ( 1 一l 剖面田) ( 2 2 剖面囤 图4 2v 形直壁式量水槽结构图( 初设方案) t l l l 叫引丰 脚一 1 l l l 1 i i j j 第四章v 形直壁式量水榴的试验研究 4 2 3 长喉道量水槽初步设计方案模型试验成果 通过模型试验发现，当流量小于8 m 3 s 时，量水槽上游水面平静，在收缩段 和扩散段有较小的菱形波出现；当流量大于8 m 3 s 时，量水槽上游水面开始波动； 当来流量达到设计流量( 2 8 8 8 m 3 s ) 时，上游水面出现较明显的波动，在收缩段 和扩散段的菱形波也更明显。照片4 1 是流量为1 6 5 m 3 s 时的长喉道量水槽流态 图；表4 3 列出了安长喉道量水槽各工况下的水深；图4 3 为量水槽各流量下沿 程水面线。为了分析长喉道量水槽对渠道水深的影响，表4 4 列出了安放量水槽 后，各流量下的渠道水深变化值，若为正表示水深加大，若为负则表示水深减小。 照片4 1 长喉道量水槽流态图( q = 1 6 5 m 3 s ) 四川大学工学硕士学位论文 表4 3 长喉道量水槽各工况下的水深( 单位：m ) 流量( m 3 s ) 距取水e l ( m ) 备注 2 8 8 8 1 6 51 0 3 32 1 4 1 2 0 03 3 32 5 62 0 91 1 7 1 6 0 03 3 22 5 52 0 91 1 7 2 0 0 03 - 3 l 2 5 62 0 91 1 7 2 4 0 03 3 l2 5 62 0 91 1 7 2 8 j d o3 3 02 5 6 2 0 91 1 7 3 2 0 03 2 9 2 5 52 0 91 1 7 3 5 0 03 2 52 5 22 0 9 1 1 7 量水槽进口 3 6 8 02 3 61 6 9l _ 3 00 5 0 喉道段进口 4 0 8 01 6 71 1 4o 9 5o 3 6喉道段出口 4 4 4 01 2 6o 8 70 7 30 2 3 量水槽出口 4 8 0 01 1 30 7 70 6 80 1 9 5 2 0 0 1 1 50 7 7o 6 00 2 3 5 6 0 01 1 40 8 l0 6 50 2 5 6 0 0 01 1 90 8 5 0 6 20 2 7 6 4 0 01 1 50 8 50 6 80 3 0 6 8 j d o1 2 50 8 7o 6 10 3 0 6 o 5 o 4 o 一 3 赚3 o 岳 2 o 1 0 o o 1 21 62 02 42 83 23 64 04 4 4 85 25 66 06 46 8 距取水口( m ) 图4 3 长喉道量水槽各流量下水面线图 3 6 第四章v 形直壁式量水槽的试验研究 表4 4 长喉道量水槽各流量下的渠道水深变化值( 单位：m ) 流量( m 3 s ) 距取水口 2 8 8 81 6 51 0 3 32 1 4 e 1 2 0 0o 9 5o 9 50 8 30 6 3 e 1 6 0 0l0 60 9 30 8 30 6 3 水 2 0 0 00 9 1o 9 30 8 40 6 4 槽 2 4 0 01 1 2o 8 60 8 50 6 5 上 2 8 0 00 9 4o 8 6o 8 60 6 5 游 3 2 0 010 9 0 9 30 8 9 0 6 6 4 8 0 01 0 3- 0 7 9- 0 4 90 3 0 量 5 2 0 01 0 2o 7 7旬5 5_ 0 2 7 水 5 6 0 0_ 0 9 4- 0 7 0 _ o 4 9 0 2 4 槽 6 0 0 0- 0 8 4m 6 2加4 8 - 0 2 0 下 6 4 o oo 8 l- 0 5 9_ 0 _ 3 9- 0 1 6 游 6 8 0 0_ 0 6 2- 0 4 9m 4 3m 1 5 由表4 3 及国4 3 可以看出试验得出的沿程水面线与理论分析相同，量水槽 上游水流为缓流，到量水槽出口为急流，途经喉道段( 3 6 8 m 至4 0 8 m 处) 收缩 呈临界流。通过表4 4 可以得出，安放长喉道量水槽后，j r ；j ( 槽上游渠道水深普 遍加大，而量水槽后渠道水深减小。这是因为量水槽断面在横向和纵向都产生收 缩，上游渠道产生壅水：通过扩散段，量水槽内水流为急流；量水槽后渠道流速 加大，水深减小，在离量水槽后1 0 m 渠道水深开始回升。 根据相关资料【13 1 ，长喉道量水槽计算水流的流量公式为： q=cdq(4-1) q i = a c 2 9 ( i - 1 。一y c 冲5 ( 4 2 ) 式中， c r 流量系数，由经验公式c a = 0 9 3 + 0 i h 。i l 决定 l 喉道段长度 日。上游行进断面堰项总水头 y 。喉道段断面临界水深 3 7 四川大学工学硕士学位论文 a 。与y ，相对应的过水断面面积 为了分析长喉道量水槽的测流精度，将实测流量与用上式计算所得流量相比 较。表4 5 分别列出各工况下下量水槽上游堰顶水深h 1 、临界水深y 、计算流量、 实测流量及相对误差，图4 4 为各流量下实测值与计算值的关系， 定义相对误差为：相对误差= 塞型；蠡鑫掣l 。 表4