小流量土渠简易长喉道量水槽水力性能研究

论文摘要

灌区量水是灌区实现科学水量调配、节约用水、定额管理的重要前提和基础,对量水技术的推广实施十分重要。田间灌溉的水量及时间与作物需水量准确配合时,可以达到节水高效生产的目标,在作物需水量方面已进行了大量科研工作,取得了丰富的成果。但目前对于量水技术的研究大多针对于规格渠道,很难适用于田间的地面情况与流量范围,难以实现对进入灌水沟中的小流量计量,无法精确判断作物需水量与实际灌溉用水量之间的关系。因此,针对中国北方灌区应用最为广泛的田间灌溉方式沟灌、畦灌,提出一种适用性强且成本低廉的新型量水设备来满足其量水需求尤为重要。本研究提出的小流量土渠简易长喉道量水槽外轮廓为贴近灌水沟形式的梯形断面,喉道断面为三角形,适用于田间灌溉小流量下的精确量水。通过量水槽原型过流试验及数值模拟的研究方式,探究小流量土渠简易长喉道量水槽在不同运行工况、不同结构参数下的水动力特性。主要研究内容及结论:（1）在已有量水槽研究的基础上,结合北方灌区田间灌水沟的形式尺寸与流量范围,针对不同的运行工况,设计了两种体型参数的小流量土渠简易小流量土渠简易长喉道量水槽。由临界流原理及能量守恒推导得出了小流量土渠简易长喉道量水槽流量公式形式。（2）在1/10000的底坡下进行了小流量土渠简易长喉道量的原型过流试验,分析了不同流量和出流条件下的水面线、傅汝德数、断面比能的沿程变化规律;确定了临界水深断面产生的具体位置在喉道段中的位置,进而得出了量水槽喉道长度的建议优化值;拟合得出自由出流和淹没出流状态下的水深流量公式,计算流量与实际流量比较,平均误差和最大误差均在5%之内;量水槽1、2的临界淹没度数值稳定分布在0.800.86之间,随流量变化小。（3）采用基于Flow-3D的计算流体力学方法对小流量土渠简易长喉道量水槽的内部水流运动进行了模拟计算,试验水深值与模拟值的最大相对误差均小于10%,二者水面线变化规律吻合,模拟结果精度较高。依靠数值模拟的优势深入分析了量水槽内部流场,得到纵向、横向时均流速以及紊动强度的分布规律。（4）通过1/5001/10000范围内5种底坡的原型试验,探究底坡变化对小流量土渠简易长喉道量水槽水力特性的影响,不同底坡下量水槽内沿程水面线总体上比较接近,底坡的变化对喉道控制段水深的影响整体较小,通过各底坡下断面5处的水深流量关系,得到底坡在1/5001/10000范围内的通用测流公式,且具有较高的测流精度。采用数值模拟的方式增加设计了三种侧壁边坡系数的量水槽,进一步探究侧壁的倾斜度对量水槽水力特性的影响,得到各量水槽的流量适用范围和地面情况,并分析了底坡变化对水面线、纵向流速的影响;通过计算临界水深产生的位置针对各量水槽得出喉道段长度的优化建议。

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摘要

ABSTRACT

主要符号对照表

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 灌区现有量水方法与设施

1.2.2 量水槽研究现状

1.2.3 CFD方法及灌区量水中的应用

1.2.4 存在问题

1.3 研究的主要内容

第二章小流量土渠简易长喉道量水槽体型结构与试验设计

2.1 小流量土渠简易长喉道量水槽体型结构设计与测流原理

2.1.1 小流量土渠简易长喉道量水槽体型结构设计

2.1.2 小流量土渠简易长喉道量水槽测流原理

2.2 原型试验设计

2.2.1 试验系统布置

2.2.2 测量方法与仪器设备

2.2.3 试验方法与步骤

第三章小流量土渠简易长喉道量水槽水力特性试验结果分析

3.1 水面线

3.2 傅汝德数及断面比能

3.3 临界淹没度

3.4 测流公式及精度

3.5 临界水深断面位置及喉道长度

3.6 小结

第四章小流量土渠简易长喉道量水槽水力特性数值模拟

4.1 数值模拟设置

4.1.1 模型的建立

4.1.2 控制方程

4.1.3 参数设置

4.1.4 网格及边界条件设置

4.2 数值模拟的可靠性验证

4.2.1 流态及水面线分析

4.2.2 流速对比验证

4.3 数值模拟结果分析

4.3.1 傅汝德数

4.3.2 断面纵向时均流速分析

4.3.3 收缩段横向流速分布

4.3.4 紊动强度

4.3.5 测流公式

4.4 小结

第五章小流量土渠简易长喉道量水槽水力性能影响因素分析

5.1 底坡对量水槽水力性能影响的试验研究

5.1.1 水面线

5.1.2 傅汝德数

5.1.3 不同底坡条件下水深流量关系

5.2 量水槽侧壁倾角对水力性能影响的数值模拟研究

5.2.1 水面线与流态

5.2.2 中垂线处流速沿程分布

5.2.3 测流公式与喉道长度优化

5.3 小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 薛城

导师: 王文娥

关键词: 流量公式,数值分析,水力性能

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,农业科技

专业: 地球物理学,水利水电工程,农业工程

单位: 西北农林科技大学

基金: 公益性行业(农业)科研专项(编号:201503125),“十三五”国家重点研发计划项目(编号:2016YFC0400203)

分类号: TV135.3;S274.4

总页数: 74

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