肖苡辀，王文娥，胡笑濤（西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100）

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基于FLOW-3D的田間便攜式短喉槽水力性能數(shù)值模擬

肖苡辀，王文娥※，胡笑濤
（西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，楊凌 712100）

摘要：田間量水是實現(xiàn)灌區(qū)計劃用水和節(jié)水農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，但由于試驗條件、測量方法和精度的限制，傳統(tǒng)的水工模型試驗分析田間量水設(shè)施的水力性能存在一定局限性。該文基于FLOW-3D軟件，采用RNG k-ε三維湍流模型、TruVOF方法、FAVOR（fractional area volume obstacle representation）技術(shù)模擬喉口寬度為51 mm的田間便攜式短喉槽過槽水流的三維流場。與試驗結(jié)果對比表明：過流能力、水流流態(tài)以及水深與試驗結(jié)果較為吻合，誤差小于10%，采用的數(shù)值模擬方法能夠有效地模擬田間便攜式短喉槽水力性能，在確定數(shù)值模擬可靠性的前提下，對其水力性能進行分析。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：佛汝德數(shù)、流速在自由出流工況下沿程增大，在淹沒出流條件下先增大后減小，并由佛汝德數(shù)分析結(jié)果確定了臨界水深斷面所在區(qū)域為喉口段后半部分；通過回歸分析得到的田間便攜式短喉槽上游水深與流量計算公式最大測流誤差為?5.63%，滿足灌區(qū)量水精度的要求；該量水槽最大水頭損失占總水頭的12.10%，相比于長喉道量水槽的13%較小。該研究對提高量水設(shè)備研發(fā)效率、降低研發(fā)成本與周期、促進中國灌區(qū)流量精準測量設(shè)備的推廣具有實用價值。

關(guān)鍵詞：水工建筑物；佛汝德數(shù)；流速；水頭損失；便攜式短喉槽；數(shù)值模擬

肖苡辀，王文娥，胡笑濤. 基于FLOW-3D的田間便攜式短喉槽水力性能數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（3）：55－61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009http://www.tcsae.org

Xiao Yizhou, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Numerical simulation of hydraulic performance for portable short-throat flume in field based on FLOW-3D[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 55－61. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009http://www.tcsae.org

0　引　言

灌區(qū)量水技術(shù)是實行計劃用水、節(jié)約用水和按方計收水費的關(guān)鍵技術(shù)措施。對于現(xiàn)有的量水設(shè)施，從經(jīng)濟實用、穩(wěn)定可靠的角度考慮，量水槽將是灌區(qū)最適合、最易大范圍推廣應(yīng)用的一種明渠量水設(shè)施[1-2]。目前關(guān)于量水槽的研究較多，多為渠道上的測流，對于田間進水口的小型便攜式量水設(shè)備研究很少。由于量水設(shè)施的應(yīng)用受到渠道類型、尺寸以及底坡的影響，渠道通過較大流量時計量較為精確，對于分散到用水戶田間地頭的水量難以準確量測和控制，這與灌區(qū)的用水情況不相適應(yīng)[3]。由于田間進水口量大面廣，應(yīng)該使用簡單、經(jīng)濟、具有合理精度的量水設(shè)備，現(xiàn)有量水槽的研究成果還不能滿足測流精度高、水頭損失小的田間進水口測流需求。長喉道量水槽占地面積較大，水頭損失也較大，無喉道量水槽水力特性較復(fù)雜，過槽水流紊動較大，因此選擇短喉道量水槽作為田間進水口量水設(shè)備較為適宜[4]。

目前對于短喉道量水槽的研究多為巴歇爾量水槽，對其他體型或新體型短喉道量水槽測流研究很少。Cone[5]首次提出文丘里量水槽，是一種由收縮段、喉道段以及擴散段組成的新體型量水槽。Parshall[6]改進了文丘里量水槽的底坡設(shè)計，將改進的文丘里量水槽命名為巴歇爾量水槽，并建立了相應(yīng)的水深與流量計算公式。Gaylord V Skogerboe等[7]進一步研究了巴歇爾量水槽在自由、淹沒出流工況下的水力性能，并且結(jié)合無量綱分析方法研究淹沒度對巴歇爾量水槽的影響。Wright[8]等利用數(shù)值模擬的方法研究了巴歇爾量水槽內(nèi)流體黏度對水深流量關(guān)系式的影響。李杰等[9]對喉口寬度為0.25 m的標準巴歇爾量水槽進行了不同流量下水力性能試驗，擬合得到自由出流和淹沒出流工況下上游水深與流量公式。肖苡辀等[4]在喉口寬度為0.051 m的小型巴歇爾量水槽的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種便攜式、槽底為平底、適用于田間進水口的田間便攜式平底短喉道量水槽，通過物理模型試驗研究了田間便攜式平底短喉道量水槽的水力特性，并擬合得到精度較高的上游水深與流量計算公式。

近年來，計算流體動力學CFD（computational fluid dynamics）的數(shù)值模擬分析廣泛應(yīng)用于量水槽的設(shè)計。CFD技術(shù)在一定程度上彌補了理論分析和試驗測試的不足，具有成本低、耗時短、比較容易獲取流場中數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)流場可視化的優(yōu)勢[10]。王月華等[11]采用FLOW-3D軟件驗證了水閘的泄流能力，模擬了消能工況水流條件下三級消能池的水流情況，并結(jié)合水工模型試驗具體分析了消能池中的水力特性，表明該軟件模型具有可行性與實用性。宋永嘉等[12]采用FLOW-3D軟件對景觀瀑布水力特性進行數(shù)值模擬研究，分別提出了鏡面水舌長度、堰頂水頭與單寬流量的關(guān)系曲線，找出了水舌姿態(tài)與流量等水力要素的相關(guān)性并確定水力設(shè)計的相關(guān)參數(shù)。劉英等[13]運用FLOW-3D軟件分析了U形渠道圓頭量水柱的測流規(guī)律及影響因素，并與試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合性較好。

在田間便攜式短喉槽模型試驗的基礎(chǔ)上，本文采用FLOW-3D軟件對該量水槽的水力特性進行數(shù)值模擬研究，提出了該體型量水槽數(shù)值模擬的方法，并將其與水工模型試驗結(jié)果[4]進行比較，從而驗證數(shù)值模擬方法的可靠性，利用驗證后的模型得到了過槽水流的流場，進一步闡明了過槽水流的水力性能。該研究為提高量水設(shè)備研發(fā)效率、降低研發(fā)成本與周期提供了參考，對于促進中國灌區(qū)精準量水設(shè)備的推廣應(yīng)用具有實用價值。

1　數(shù)學模型的建立

1.1量水槽結(jié)構(gòu)

依據(jù)肖苡辀等[4]的研究結(jié)果，在田間進水口處安放田間便攜式短喉槽可以較準確地測量過槽流量，該量水槽結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。槽內(nèi)控制斷面為測量斷面，各控制斷面距離量水槽進口首斷面的距離見表1。

圖1　便攜式平底短喉槽結(jié)構(gòu)簡圖及其槽內(nèi)斷面劃分圖Fig.1　Structure sketch and section division of portable short-throat flume with flat base

表1　各控制斷面距量水槽進口首斷面的距離Table1 Distance from first section to each control section

1.2控制方程

田間便攜式短喉槽測流為不可壓縮黏性流體運動，根據(jù)基本的物理守恒定律，過槽水流為牛頓流體，則量水槽測流可運用連續(xù)性方程和Navier-Stokes方程[14-15]描述。

連續(xù)性方程

Navier-Stokes方程

式中ρ是流體密度，本文研究對象為水，取值為1 000 kg/m3；t是時間，s；u是速度矢量，u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量，m/s；μ是流體動力黏滯系數(shù)，N·s/m2，本次數(shù)值模擬在20℃條件下進行，取值為1.002；Fx、Fy和Fz是微元體上的體力，若體力自由重力，且z軸豎直向上，則Fx=0、Fy=0、Fz=?ρ·g，kN/m3；引入散度div(a)=?ax/?x+?ay/?y+?az/?z；引入梯度grad(b)=?(b)/?x+?(b)/?y+?(b)/?z。

關(guān)于湍動能k和湍動能耗散率ε的方程[14-15]分別為式（3）和式（4）。

湍動能k方程

湍動能耗散率ε方程

式中k為湍動能，m2/s2；ε為湍動能耗散率，kg·m2/s3；μ是流體動力黏滯系數(shù)，N·s/m2；μt為流體的湍動黏度，μt=ρ·Cμ·k2/ε，N·s/m2；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，；，C1ε=1.42，，，η0=4.377，β=0.012；C2ε=1.68；i、j=1、 2、3。

1.3網(wǎng)格劃分

根據(jù)設(shè)計的量水槽具體尺寸，利用Auto CAD建立三維幾何模型，為了使模擬的渠道流態(tài)更加逼真且方便最終計算，將量水槽模型進口上游部分連結(jié)一個過水斷面較量水槽進口大的2.5 m×2.0 m水池來延長進口長度、保證水流平穩(wěn)；同時為了使數(shù)值計算模型與試驗設(shè)施布置一致，將模型進口前的水池側(cè)壁連結(jié)一段一定長度的渠道，作為上游進水口；量水槽模型出口下游部分連結(jié)一段寬1.0 m、一定長度的渠道，作為下游出水口。

FLOW-3D軟件對模型網(wǎng)格劃分采用的是FAVOR （fractional area volume obstacle representation）技術(shù)[16]。FAVOR技術(shù)是運用有限差分法，根據(jù)單元中沒有被計算對象占據(jù)的面積以及體積的比例來模擬復(fù)雜形狀，能夠以較少數(shù)量六面體網(wǎng)格單元來消除和順滑不平整區(qū)域，使建立起來的網(wǎng)格模型不會失真。該量水槽數(shù)值模型的單元網(wǎng)格尺寸為2 cm×2 cm×2 cm。

1.4計算方法與邊界條件

基于計算流體力學軟件FLOW-3D，采用RNG k-ε三維湍流模型進行數(shù)值模擬，并采用有限差分法將模擬控制方程離散為代數(shù)方程組進行求解計算，對流項采用二階迎風格式，擴散項采用二階中心差分格式，最小步長值設(shè)為10-6s。所選用的FLOW-3D軟件對自由液面的描述是經(jīng)過優(yōu)化的VOF方法，稱之為TruVOF方法[16]。TruVOF方法只計算含有液體的單元而不考慮只含氣體的單元，很大程度上減少了模型收斂所需的時間，對自由液面的描述更加準確，為解決水力學問題提供了更高的精度和效率。

某一工況下，槽內(nèi)水流為恒定流，邊界條件設(shè)定如下：上游進口設(shè)置為流量進口邊界，根據(jù)試驗中實測流量給定一系列的進口流量值，不設(shè)定流體高度和流動方向，即默認流體從整個邊界開放區(qū)域流入，流動方向與邊界垂直；下游出口設(shè)置采用出流邊界（若為淹沒出流工況，則在量水槽出口下游2～3 m處設(shè)立一定高度的坎進行壅水，形成淹沒出流工況）；渠道底部均及側(cè)壁均選擇固壁邊界；渠道頂部空氣入口設(shè)定為對稱邊界，即默認無流體穿過該邊界，見圖2。

圖2　數(shù)值模型及其邊界條件Fig.2　Numerical model and boundary conditions

2　結(jié)果與分析

2.1模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比

2.1.1流態(tài)分析

流態(tài)分析是研究田間便攜式短喉槽水力特性的基本要素?；谔镩g便攜式短喉槽試驗，觀察發(fā)現(xiàn)：在所有工況下（自由出流：5.93、6.39、7.68、10.67、12.42、13.65、14.06、14.86、17.96、20.05 L/s，淹沒出流：7.45、8.82、9.68、11.63、13.39、14.20、15.585 L/s），當上游調(diào)節(jié)閥門剛開啟時，水流急速通過渠道流入出水池，在出水池通過便攜式短喉槽向下游回水管道下泄；隨著水的不斷流入，出水池的水位有一定的抬升，量水槽內(nèi)水面緩緩上升；隨著時間的推移，出水池水位上升至一定水位后趨于平穩(wěn)，量水槽內(nèi)水面也逐漸穩(wěn)定，整個流場趨于穩(wěn)定。水流經(jīng)過便攜式短喉槽進口段比較平順，在進口段接近喉口段的部分水位開始緩緩下降；由于受到側(cè)收縮的影響，水流經(jīng)過量水槽喉口段時開始有明顯的水面降落，并在喉口段內(nèi)產(chǎn)生臨界流，水流由緩流狀態(tài)變至急流狀態(tài)；隨后通過出口段下泄至下游回水管道。根據(jù)試驗實測流量、出口出流情況（自由出流或淹沒出流），利用FLOW-3D軟件模擬18種工況下便攜式短喉槽的時均流場變化結(jié)果，與試驗觀測結(jié)果一致。圖3a為自由出流工況下流量為7.68 L/s的試驗實測流態(tài)，圖3b、3c為自由出流工況下流量為7.68 L/s的流場分布，數(shù)值模擬結(jié)果顯示量水槽內(nèi)水面由于受到側(cè)收縮的影響不斷下降的流態(tài)，與實測流態(tài)結(jié)果相同（圖3a）。

圖3　便攜式短喉槽實測流態(tài)與模擬流態(tài)對比（下游視角）Fig.3　Comparison of measured and simulated flow patterns (from downstream view)

2.1.2縱剖面水面線

縱剖面水面線是形象表達過槽水流流態(tài)的重要元素。以流量為6.39、14.06 L/s自由出流工況，流量為12.33、15.58 L/s淹沒出流工況為例，圖4為流量與出流條件相同時，4種工況下模擬與實測的縱剖面水面線變化規(guī)律圖，試驗實測水深采用SCM60型水位測針對11個控制斷面水深進行測量，精度為0.1 mm[4]。從圖4可見，便攜式短喉槽進口段水面平緩且略有下降的趨勢，為漸變流；接近喉口段處由于受到側(cè)收縮的影響，水面有明顯下降，水面線曲率明顯增大，為急變流；喉口段水面急劇跌落，水流流態(tài)從緩流轉(zhuǎn)變至急流；出口段水面在自由出流情況下是繼續(xù)下降且快速下泄至槽外。在淹沒出流工況下產(chǎn)生水躍，水面波動較大，最終水面緩緩抬高至下游水位。通過對比分析可知，不同流量、不同出流條件下模擬與實測水面線的變化規(guī)律趨勢相同，模擬值與實測值較為接近，最大相對誤差為9.56%。由此可得，利用FLOW-3D軟件模擬該量水槽過槽水流流態(tài)及其模擬設(shè)置參數(shù)是適宜且精度較高的。

圖4　縱剖面水面線變化規(guī)律圖Fig.4　Change of water surface at longitudinal section

綜上，本文應(yīng)用的數(shù)學模型能夠較真實地反映田間便攜式短喉槽過槽水流運動的流場分布。在此基礎(chǔ)上，通過FLOW-3D軟件所得模擬數(shù)據(jù)，分析田間便攜式短喉槽的水力特性，以期得出滿足灌區(qū)量水精度要求的流量公式。

2.2佛汝德數(shù)分析

在明渠水力學中，佛汝德數(shù)Fr是一個非常重要的無量綱數(shù)，可作為判別明渠水流流態(tài)的標準。以流量為14.06 L/s自由出流、流量為12.33 L/s淹沒出流工況下的模擬佛汝德數(shù)沿程變化規(guī)律為例（圖5）。

圖5　便攜式短喉槽內(nèi)Fr沿程變化情況Fig.5　Fr variation along flow of portable short-throat flume

由圖5可以看出，自由出流工況下的佛汝德數(shù)沿程增大，淹沒出流工況下佛汝德數(shù)整體上成類似關(guān)于喉口段末斷面的正態(tài)分布。量水槽進口段的佛汝德數(shù)小于0.5，滿足測流規(guī)范要求[17-18]；在喉口段佛汝德數(shù)沿程增大，水流由緩流（Fr＜1）轉(zhuǎn)變至急流（Fr＞1），淹沒出流工況下臨界流（Fr=1）產(chǎn)生位置比自由出流工況下更靠下游方向；在出口段自由出流與淹沒出流工況下的佛汝德數(shù)有不同的趨勢，自由出流工況下佛汝德數(shù)繼續(xù)增長，淹沒出流工況下佛汝德數(shù)減小且最終小于1。

2.3流速分布

流速是反映過槽水流水力特性和運動規(guī)律的重要元素。以流量為14.06 L/s自由出流、流量為12.33 L/s淹沒出流工況下的流速分布為例（圖6），在量水槽進口段流速較小，流速變化曲線曲率較小，流速增幅不大；在接近量水槽喉口段的部分以及喉口段內(nèi)由于受到喉道側(cè)收縮的影響流速急劇上升，流速變化曲線曲率較大，流速增幅較大；在量水槽喉口段與出口段連接的部分流速增幅減小，增長至某一值后存在一段停滯區(qū)域停止增大；在量水槽出口段自由出流工況下流速繼續(xù)增大，淹沒出流工況下流速急劇下降且降幅較大。

圖6　流速沿程變化圖Fig.6　Development of velocity along flume

2.4流量公式與測流精度

簡明實用的流量公式及較高的量水精度是衡量量水設(shè)備優(yōu)劣的重要技術(shù)指標。量水槽通過使過槽水流產(chǎn)生臨界水深而達到最佳測量效果，此時流量只需通過測量上游水深便可得到，淹沒出流工況下還需對過槽水流的淹沒度S（下游水深比上游水深之值）進行測量才能準確進行率定。在田間便攜式短喉槽水工模型試驗[4]中，依據(jù)試驗測得數(shù)據(jù)分析量水槽上游各斷面（1～5斷面）水深與流量的關(guān)系可得量水槽3斷面水深與流量的相關(guān)性較高，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.9859，故選定3斷面水深為上游水深計算值來測定流量。在本研究的數(shù)值模擬中，依據(jù)數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)，分析量水槽上游進口段（距離量水槽進口0～406 mm）內(nèi)每相隔20 mm斷面水深與流量的關(guān)系，以期找到比3斷面更為準確的最佳上游斷面位置。圖7為上游進口段內(nèi)每相隔20 mm斷面水深與流量的復(fù)相關(guān)系數(shù)沿程變化規(guī)律圖，由圖可知，復(fù)相關(guān)系數(shù)較高的位置在距量水槽進口220 mm處（即3斷面下游17 mm處），考慮到實際應(yīng)用中的可操作性與可行性，仍選定3斷面為上游水深計算值的參考斷面。

圖7　進口段斷面水深與流量的復(fù)相關(guān)系數(shù)沿程變化規(guī)律Fig.7 Multiple correlation coefficient variation of depth versus discharge along flow of entrance section

間便攜式短喉槽在自由出流時流量主要與上游水深有關(guān)，基于數(shù)值模擬結(jié)果，通過回歸分析建立了具有量綱和諧性的流量與上游水深（3斷面）的關(guān)系式，自由出流工況下的流量公式如式（5），淹沒出流工況下的流量公式如式（6）。

式中Q為流量，L/s；h為量水槽進口段3斷面處的水深，mm；S=h下/h上為無量綱淹沒度；h上為量水槽首斷面（1斷面）的水深，mm，h下為量水槽末斷面（11斷面）的水深，mm。式（5）所得計算流量與實測流量的平均相對誤差為?0.11%，最大相對誤差為?5.63%；式（6）所得計算流量與實測流量的平均相對誤差為?0.001%，最大相對誤差為?3.87%，滿足田間特設(shè)量水設(shè)備量水精度要求（<10%）。為分析比較數(shù)值模擬結(jié)果與水工模型試驗結(jié)果的準確性（見表2），給出由水工模型試驗結(jié)果擬合得到的流量計算公式[4]，自由出流工況下的流量公式如式（7），淹沒出流工況下的流量公式如式（8）。

表2結(jié)果表明，數(shù)值模擬結(jié)果、水工模型試驗結(jié)果擬合得到的流量公式計算流量與實測流量的誤差均控制在10%以內(nèi)，能夠滿足灌區(qū)田間特設(shè)量水設(shè)備量水精度不超過10%的要求[1]。自由出流工況下，數(shù)值模擬結(jié)果擬合得到的流量公式相關(guān)系數(shù)R2為0.9934，高于水工模型試驗數(shù)據(jù)擬合得到的流量公式相關(guān)系數(shù)（R2=0.9859）；淹沒出流工況下，數(shù)值模擬計算結(jié)果誤差整體上比水工模型試驗計算結(jié)果小。由此得知，數(shù)值模擬方法得到的計算結(jié)果不僅符合實際工況，而且計算結(jié)果精度較高。因此，數(shù)值模擬方法可以在一定范圍內(nèi)補充試驗結(jié)果，增加試驗處理水平，減少模型試驗次數(shù)和人力、物力消耗。

表2　流量、水頭損失的數(shù)值模擬值與水工試驗值對比Table 2　Comparison of discharge and head loss by simulated and measured values

2.5水頭損失分析

由于實際液體存在黏滯性，為了計算流經(jīng)喉槽的實際流量，水流流經(jīng)量水槽時因摩擦、收縮而引起的水頭損失是必須考慮在內(nèi)的。對于喉口寬度小于22.86 m的短喉槽，水頭損失較小，可以用上、下游測量水頭差近似代替[1]，故試驗選取便攜式短喉槽進口段首斷面和出口段末斷面為上、下游水頭控制斷面，計算斷面總水頭=Z+p/γ+v2/2g（Z為位置水頭，m；p/γ為壓力水頭，m；p為壓強，Pa；γ為容重，kg/m3；v2/2g為速度水頭，m；v為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2）。上、下游控制斷面總水頭之差為該量水槽的水頭損失hw（表2）。由表2可知，各工況下水工試驗測得水頭損失結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果的相對誤差均在10%以內(nèi)，自由出流工況下最大相對誤差為6.67%，淹沒出流工況下最大相對誤差為7.89%，從而證明了數(shù)值模擬方法的可靠性與有效性。結(jié)合水工試驗[4]與數(shù)值模擬的結(jié)果，得到自由出流工況下最小水頭損失占上游總水頭的6.70%，最大水頭損失占上游總水頭的8.07%，水頭損失主要集中在0.06～0.08倍總水頭之間；淹沒出流工況下最小水頭損失占上游總水頭的7.87%，最大水頭損失占上游總水頭的12.10%，水頭損失主要集中在0.08～0.11倍總水頭之間，2種工況下水頭損失占上游總水頭值均小于長喉道量水槽的13%[19-20]，故該量水槽與長喉道量水槽相比水頭損失較小，可以應(yīng)用于灌區(qū)允許水頭損失小的灌區(qū)量水。

3　討　論

本研究采用的RNG k-ε三維湍流模型相較于標準k-ε通過修正湍動黏度、考慮主流的時均應(yīng)變率，從而可以更好地處理高應(yīng)變率及流向彎曲程度較大的流動。FLOW-3D軟件中采用的TruVOF方法相較于傳統(tǒng)的VOF方法很大程度上減少了模型收斂所需的時間，對自由液面的描述更加準確，為解決水力學問題提供了更高的精度和效率。網(wǎng)格劃分所采用的Favor技術(shù)是運用有限差分法，根據(jù)單元中沒有被計算對象占據(jù)的面積以及體積的比例來模擬復(fù)雜形狀，能夠以較少數(shù)量六面體網(wǎng)格單元來消除和順滑不平整區(qū)域，使建立起來的網(wǎng)格模型不會失真。本文采用FLOW-3D軟件，在田間便攜式短喉槽[4]水工模型試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬方法進行了水力性能研究，模擬值與實測值的誤差控制在10%以內(nèi)，滿足灌區(qū)田間進水口量水精度要求，表明本研究建立的數(shù)學模型、采用的數(shù)值模擬方法以及各項參數(shù)設(shè)置均可靠。在水力性能細節(jié)分析上，數(shù)值模擬方法相較于傳統(tǒng)的水工模型試驗有優(yōu)勢，尤其在水工建筑物的體型比選、體型優(yōu)化、水力性能預(yù)測方面，這將大大簡化體型設(shè)計、優(yōu)化等工作和難度，也能達到較好的設(shè)計、優(yōu)化效果。

4　結(jié)　論

根據(jù)中國灌區(qū)田間灌溉的實際情況，采用數(shù)值模擬的方法，并結(jié)合水工模型試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究了田間便攜式短喉槽的水力特性，主要研究結(jié)果如下：

1）選用TruVOF方法和Favor技術(shù)相結(jié)合的湍流數(shù)學模型，采用FLOW-3D軟件對田間便攜式短喉槽過槽水流進行三維數(shù)值模擬，并結(jié)合水工模型試驗對模擬結(jié)果的各項參數(shù)指標進行對比驗證。結(jié)果表明二者所得結(jié)果較為一致，為進一步采用該數(shù)值模擬方法研究中國北方灌區(qū)末級渠系量水設(shè)備及其過槽水流水力特性問題提供了一定的參考和依據(jù)。

2）由18種工況下田間便攜式短喉槽模擬值與實測值的對比結(jié)果可知，二者所得流場分布一致，水深的變化模擬值與實測值非常吻合，其最大相對誤差為9.56%，表明建立的數(shù)學模型、采用的數(shù)值模擬方法以及各項參數(shù)設(shè)置是可靠的。

3）通過對佛汝德數(shù)、流速模擬值分析可知，佛汝德數(shù)、流速在自由出流工況下均沿程增大，在淹沒出流工況下先增大后減小，并由佛汝德數(shù)沿程分布規(guī)律分析可知臨界水深斷面的位置位于喉口段內(nèi)后半段部分，且在淹沒出流條件下臨界水深斷面位置在喉口段內(nèi)更偏向下游方向。

40年來，在黨中央堅強領(lǐng)導(dǎo)下，山東省委、省政府團結(jié)帶領(lǐng)全省人民高舉中國特色社會主義偉大旗幟，解放思想、開拓創(chuàng)新，深化改革、擴大開放，經(jīng)濟社會發(fā)展取得歷史性成就、發(fā)生歷史性變化，人民生活水平大幅提高，齊魯大地處處煥發(fā)勃勃生機。

4）通過數(shù)值模擬方法建立了不同出流條件下量水槽上游水深與過槽流量的測流經(jīng)驗公式，并與水工模型試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，得到數(shù)值模擬方法所得計算結(jié)果不僅符合實際工況，而且計算結(jié)果精度較高。該流量公式形式簡單、具有量綱和諧性，自由出流條件下的流量公式計算值與實測值平均相對誤差僅為?0.11%，最大相對誤差為?5.63%，淹沒出流條件下的流量公式平均相對誤差為?0.001%，最大相對誤差為?3.87%，誤差均在10%以內(nèi)，可以滿足灌區(qū)量水設(shè)備的測流精度要求。

5）通過對量水槽水頭損失的分析得知，該量水槽自由出流條件下的槽內(nèi)水頭損失比淹沒出流條件下的小，最小水頭損失為總水頭的6.70%，最大水頭損失為總水頭的12.10%，水頭損失主要集中在0.06～0.11倍總水頭之間，由此可知該量水槽水頭損失相比于長喉道量水槽較小，可以應(yīng)用于灌區(qū)允許水頭損失小的灌區(qū)量水。

灌溉經(jīng)驗表明在中國北方灌區(qū)在地面灌溉條件下，末級渠道的流量范圍一般在10～50 L/s。田間便攜式短喉槽單槽量程為6～20 L/s，雙槽（雙槽入口平齊，中軸線平行并排放置于田間進水口，中軸線間距230～250 mm）量程可達36 L/s，量測范圍基本可以滿足灌區(qū)田間進水口水量計量的要求，對于此類較大規(guī)格尺寸短喉槽的研究開發(fā)以滿足灌區(qū)田間較大流量的灌溉要求，尚待進一步深入研發(fā)。

[參考文獻]

[1] 王長德. 量水技術(shù)與設(shè)施[M]. 北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 蔡勇，周明耀. 灌區(qū)量水實用技術(shù)指南[M]. 北京：中國水利水電出版社，2001.

[3] 潘志寶，呂宏興，魏溪. 灌區(qū)量水槽的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與進展[J].西北農(nóng)林科技大學：自然科學版，2007，35(4)：214－217. Pan Zhibao, Lü Hongxing, Wei Xi. Current applied research and advances of measuring flume in irrigation district[J]. Journal of Northwest A & F University: Nat Sci Ed, 2007, 35(4): 213－217. (in Chinese with English abstract)

[4] 肖苡辀，王文娥，胡笑濤. 田間便攜式平底短喉道量水槽水力特性試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31(10)：99－106. Xiao Yizhou, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Hydraulic performance experiment of portable short-throat flume with flat base in field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 99－106. (in Chinese with English abstract)

[6] Parshall R L. The Improved Venturi Flume[M]. Fort Collins: Coloado Agricultural College, 1928: 1－87.

[7] Gaylord V Skogerboe, M Leon Hyatt, Keith O Eggleston, et al. Design and calibration of submerged open channel flow measurement structures: Part 1 Submerged flow[R]. Logan: Utah State University, 1967: 1－57.

[8] Wright, Steven J, Tullis, et al. Recalibration of Parshall flumes at low discharges[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1994, 120(2): 348－362.

[9] 李杰，呂宏興，胥維纖. 巴歇爾量水槽水力特性試驗研究[J].節(jié)水灌溉，2009(12)：45－47. Li Jie, Lü Hongxing, Xu Weixian. Experimental study on hydraulic characteristics of Parshall flume[J]. Water Saving Irrigation, 2009(12): 45－47. (in Chinese with English abstract)

[10] 王福軍，王文娥. 滴頭流道CFD分析的研究進展與問題[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(7)：188－192. Wang Fujun, Wang Wen’e. Research progress in analysis offlow passage in irrigation emitters using computational fluid dynamics techniques[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(7): 188－192. (in Chinese with English abstract)

[11] 王月華，包中進，王斌. 基于Flow-3D軟件的消能池三維水流數(shù)值模擬[J]. 武漢大學學報：工學版，2012，45(4)：454－457. Wang Yuehua, Bao Zhongjin, Wang Bin. Three-dimensional numerical simulation of flow in stilling basin based on Flow-3D[J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2012, 45(4): 454－457. (in Chinese with English abstract)

[12] 宋永嘉，李雙江，巴超. 基于FLOW-3D平臺的景觀瀑布水力模擬試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2013(7)：147－148.

[13] 劉英，王文娥，胡笑濤，等. U形渠道圓頭量水柱測流影響因素試驗及模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30(19)：97－106. Liu Ying, Wang Wen’e, Hu Xiaotao, et al. Experiment and simulation of factors affecting flow measurement of water-measuring column with round head in U-shaped channel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(19): 97－106. (in Chinese with English abstract)

[14] 呂宏興，裴國霞，楊玲霞. 水力學[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.

[15] 王福軍. 計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[16] 孫斌，呂宏興，張寬地，等. U形渠道機翼形量水槽水躍數(shù)值模擬與試驗研究[J]. 實驗流體力學，2013，27(1)：65－71. Sun Bin, Lü Hongxing, Zhang Kuandi, et al. Numerical simulation and experimental research of hydraulic jumps on the airfoil-shaped measuring flume in U-shaped canal[J]. Journal of Experiments In Fluid Mechanics, 2013, 27(1): 65－71. (in Chinese with English abstract)

[17] 呂宏興，劉煥芳，朱曉群，等. 機翼形量水槽的試驗研究 [J].農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(9)：119－123. Lü Hongxing, Liu Huanfang, Zhu Xiaoqun, et al. Experimental research on airfoil-shaped flow flume[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(9): 119－123. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉嘉美，王文娥，胡笑濤. U形渠道圓頭量水柱的數(shù)值模擬[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2014，19(1)：168－174. Liu Jiamei, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Numerical simulation of water-measuring pillar with round head in the U-shaped channel[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(1): 168－174. (in Chinese with English abstract)

[19] 李國佳，牟獻友，李金山，等. U形渠道直壁式量水槽水力特性的研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2010(5)：124－127. Li Guojia, Mou Xianyou, Li Jinshan,et al. Research on the hydraulic characteristics of U-shaped channel of straight wall tanks[J]. China Rural Water and Hydropower, 2010(5): 124－127. (in Chinese with English abstract)

[20] 吉慶豐，沈波，黃勇. 即插式長喉道量水計的研究開發(fā) [J].農(nóng)業(yè)工程學報，2003，19(6)：21－24. Ji Qingfeng, Shen Bo, Huang Yong. Development of a portable long-throat flowmeter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(6): 21－24. (in Chinese with English abstract)

Numerical simulation of hydraulic performance for portable short-throat flume in field based on FLOW-3D

Xiao Yizhou, Wang Wen’e※, Hu Xiaotao
(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract:Improvement of water management can encourage conservation and make best use of our limited water resources. The measurement of flow rates is an important element of water management. Many devices and structure have been developed for the measuring discharge but measuring flume is one of the most accepted and used structure. According to the practical situation of irrigated areas in northern China, use of portable short-throat flume in field to measure the discharge of water inlet in the field is an emerging technique developed for water discharge measurement of inlet in the field, which contributes to control of irrigation water consumption and water conservation. Based on FLOW-3D software in this study, RNG k-ε three-dimensional turbulence model, TruVOF technique and FAVOR (fractional area volume obstacle representation) method were employed to simulate three-dimension flow field in portable short-throat flume in field with a 51 mm width throat under 18 working conditions. Experimental results about portable short-throat flume in field were also obtained based on a new test to validate the simulation results. It verified discharge capacity of the flume. The parameter settings and boundary conditions used in the CFD models provided an efficient approach for simulation of the flow through portable short-throat flume in field. Combined with hydraulic experiments, hydraulic performance was obtained from simulation analyses on water surface profiles, Froude number, velocity distribution and head loss. Comparison between experiments and simulations showed that measured and simulated flow capacity, flow field and flow depth have a good consistency, and relative errors were less than 10%, and gave a solid agreement between experimental and numerical simulation results. Hence, it can be used to simulate flow state of portable short-throat flume in field effectively and visually. On the basis of reliable numerical simulated consequents, analyses of hydraulic performances in detail were carried out. The simulation results showed that both Froude number and velocity accelerated along the flume with free flow condition, and in submerged flow condition increased at first and then decreased. The cross-section of critical depth was located at throat section by Froude number analyses. The flow surface profile in throat section of portable short-throat flume in field was highly curvilinear in both free and submerged outflow working conditions as the flow accelerated from the subcritical regime to the supercritical regime. Equations of upstream depth versus discharge under free and submerged outflow working conditions were fitted by regression analyses, respectively. The maximum relative error between measured discharge and calculated discharge by equations was -5.63%, which met the requirements of water measurement for irrigation. Further, maximum head loss of portable short-throat flume with a flat base for the field accounted for 12.10% of total upstream head. Compared with long-throat flume, the head loss of portable short-throat flume in field was less. The three-dimensional turbulence model along with the TruVOF technique allowed one to reproduce the hydraulic characteristics of flow through portable short-throat flume in field. Due to shorter time demand and lower cost of numerical simulations compared to experimental studies in predicting the hydraulic characteristics, simulation of the portable short-throat flume in field flows based on a properly validated model provided the flow characteristics of these flumes for various flow configurations encountered in the field. This study provides a reference for flow-measurement of final stage of canal in irrigation areas in North China.

Keywords:waterworks; Froude number; velocity; head loss; portable short-throat flume; numerical simulation

基金項目：公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503125）；國家自然科學基金項目（51179163）；國家“十二五”科技支撐計劃項目（2011BAD29B01）。

作者簡介：肖苡辀，女，湖南湘潭人，主要從事工程水力學研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，712100。Email：vivianshaw1117@163.com※通信作者：王文娥，女，河南孟縣人，副教授，博士，主要從事流體機械及排灌設(shè)備等研究。楊凌西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，712100。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn

收稿日期：2015-07-07

修訂日期：2015-12-04

中圖分類號：S274.4

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0055-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009