U形渠道机翼形量水槽水跃特性研究及数值模拟

【摘要】：水跃是一种在自然界以及工程应用上普遍存在的急流过渡为缓流的水力现象，具有一定紊动特性和消能效果，同时还具有变化复杂的自由液面。在工程中主要发挥着消能的作用。机翼形量水槽是一种适用于平原灌区末级渠系的新型量水设备，其槽后水跃的相关参数是判别量水槽选型是否合理的重要标准之一。首先，本文对水跃的中国国内外研究现状及其水跃的数值模拟研究进行了总结，针对目前灌区量水槽水跃研究中存在问题和不足，采用理论分析与实体模型试验和数值模拟相结合的方法，对U形渠道机翼形量水槽水跃进行了研究。 实体模型试验采用U形渠道的形式，选择两种收缩比的量水槽，在西北农林科技大学北校区灌溉实验站渠道量水技术试验区进行试验。通过研究分析跃前水深、跃后水深、水跃长度、流速分布、对水跃消能率进行计算等，得到共轭水深比与跃前断面佛汝德数的关系，水跃长度的经验公式，消能率与跃前断面佛汝德数的关系等。 应用Flow-3D软件建立不同工况下的U形渠道机翼形量水槽三维模型，进行水位流量的模拟计算，得到了不同工况下的量水槽过流流态、模拟计算水深值及流速分布等水力特性参数，通过与试验数据进行对比分析，得出应用Flow-3D软件可以准确地模拟U形渠道机翼形量水槽水跃的水力特性，本文所建立的数值模型对量水槽水跃水力特性的描述具有一定的参考性和应用价值。利用Flow-3D软件计算得到的跃前水深，跃后水深及水跃长度数据与实测数据相对平均误差为2.48%，4.36及4.75%，软件计算数据与实测数据吻合程度较高，满足数值模拟要求，同时也从另一方面证明了机翼形量水槽具有较高的测流精度。 为了探讨U形渠道底坡对机翼形量水槽收缩比选择的影响，利用Flow-3D软件建立数值模拟试验方案，选择底弧半径20cm和底弧半径30cm两种规格的U形渠道，对不同底坡的U形渠道水跃水力特性进行了数值模拟研究。 本文在水跃理论、模型试验和数值模拟分析的基础上，提出了水跃水力特性参数。通过总结前人对水跃的研究成果，对水跃问题的研究以及机翼形量水槽在平原灌区U形渠道的应用提供一定的工程技术参考。