王文娥，薛 城，胡笑濤

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溝灌三角形長喉道田間量水槽水力特性試驗及數(shù)值模擬

王文娥，薛 城，胡笑濤

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，楊凌 712100）

針對目前北方灌區(qū)田間溝灌缺乏有效量水設(shè)施的現(xiàn)狀，提出了一種針對田間小流量情況的新型量水設(shè)備—便攜式三角形長喉道量水槽，為進一步研究其水力特性，在溝灌簡易長喉道量水槽原型試驗的基礎(chǔ)上，采用基于Flow-3D的計算流體力學(xué)方法對該量水槽的內(nèi)部水流運動進行了模擬計算，對水流流態(tài)、水深、傅汝德數(shù)、縱向時均流速、紊動強度進行了分析。結(jié)果表明：試驗水深值與模擬值的最大相對誤差小于10%，二者水面線變化規(guī)律吻合，模擬結(jié)果精度較高；通過臨界流理論推導(dǎo)與回歸分析得到溝灌簡易長喉道量水槽測流公式，其計算結(jié)果與實際流量的最大相對誤差為4.34%；量水槽收縮段及喉道段縱向時均流速沿程不斷增大，流速最大值的位置存在于水面以下，越靠近收縮段、喉道段出口，最大縱向流速位置越低，斷面流速分布越不均勻；紊動強度總體呈現(xiàn)沿程增加的趨勢，各斷面的紊動強度最大值相對位置在0.13到0.30倍水深之間，沿程逐漸上升。

數(shù)值分析；流速；流量；三角形長喉道量水槽；紊動強度

0 引 言

近年來在全國總用水量中，農(nóng)業(yè)用水始終占60%以上，農(nóng)民節(jié)水意識淡薄，節(jié)水技術(shù)匱乏，農(nóng)業(yè)用水利用效率低（灌溉利用系數(shù)為0.5左右）[1-3]。量水技術(shù)作為灌區(qū)節(jié)水的必要基礎(chǔ)和有效保證，對其推廣實施變得十分重要。中國北方灌區(qū)應(yīng)用最為廣泛的田間灌溉方法仍為畦灌、溝灌[4-6]，目前對于量水技術(shù)的研究大多針對于規(guī)格渠道，很難適用于田間的地面情況與流量范圍，難以實現(xiàn)對進入灌水溝中的小流量計量，無法精確判斷作物需水量與實際灌溉用水量之間的關(guān)系[7-8]。因此需要一種新的量水設(shè)備來達到以上要求。

在國內(nèi)外學(xué)者的研究下，已有許多較為成熟的槽類量水技術(shù)[9-14]。其中，長喉道量水槽喉道控制段狹長，流態(tài)穩(wěn)定不易受下游水位影響，測流精度普遍較高，并且有多種斷面形式來貼合實際需要。使用較多的短喉道槽、無喉道槽其控制段較短，下游水位的波動容易影響到上游流態(tài)，在測流精度及穩(wěn)定性上難以保證。Hager等[15-16]對圓柱型量水槽進行了一系列研究，其施工方便體型簡單，但測流精度較低、過泥沙能力較差，且受限于渠道形式。潘志寶[17]研究的機翼型量水槽性能良好，但槽體結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜，對施工工藝要求高，容易受尺寸誤差帶來的測流精度影響，造價成本較高不便于推廣。金兆森等[18]在量水堰的基礎(chǔ)上對田間移動型量水槽進行了研究，進行了田間試驗旨在測量末級毛渠過流量，但其過流能力較差，出流條件難以滿足。在應(yīng)用于田間溝灌時，上述的量水設(shè)備均無法滿足實際應(yīng)用的需要，為此作者所在團隊提出一種新型的溝灌三角形長喉道量水槽[19]，通過原型試驗初步探討了該量水槽的水力性能，發(fā)現(xiàn)該量水槽具有較高的測流精度。

近年來數(shù)值模擬越來越多的被應(yīng)用于量水設(shè)施內(nèi)的流場分布研究，應(yīng)用計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的方法能夠較為精準(zhǔn)便利地得到水流運動特性參數(shù)數(shù)據(jù)，并使結(jié)果實現(xiàn)可視化[20]。孫斌等[21]用流體體積函數(shù)（volume of fluid，VOF）方法與標(biāo)準(zhǔn)湍流模型耦合，對矩形渠道中的機翼形量水槽內(nèi)流動進行了模擬，表明采用三維CFD方法對量水槽流場進行模擬是可行的。冉聃頡等[22]應(yīng)用基于Flow-3D軟件的數(shù)值模擬對梯形喉口無喉道量水槽進行了系統(tǒng)的研究，考證了這一方法的準(zhǔn)確性、合理性。本文提出的三角形長喉道量水槽針對田間溝灌設(shè)計，由于通過流量小、體型、尺寸、水深較小，使試驗測量及分析受到一定的局限，運用數(shù)值模擬對溝灌簡易三角形長喉道量水槽水動力特性進行探究，更加深入細致地分析其內(nèi)部流場，可對該量水槽的體型優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 量水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計及模型試驗

1.1 量水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

據(jù)農(nóng)田溝灌灌水技術(shù)相關(guān)資料[23-27]，得到中國北方田間溝灌的灌水溝形式和尺寸，結(jié)合北方不同地區(qū)和作物實際情況，綜合考慮溝灌灌水溝形式和尺寸（田間灌水溝斷面接近弧底梯形或U形，根據(jù)資料及實地考察，灌水溝斷面尺寸包括：溝底寬10～20 cm，頂寬40～60 cm，深15～25 cm），參考長喉道量水槽設(shè)計規(guī)范，設(shè)計了一種便攜式三角形長喉道量水槽，槽身外輪廓為梯形，喉道段斷面收縮為三角形，下底寬及高度依據(jù)灌水溝的普遍形狀尺寸來設(shè)定，喉道段長度及側(cè)壁邊坡主要考慮小流量下臨界流的形成，過渡段的收縮比與擴散比參考長喉道量水槽設(shè)計，提出了5種參數(shù)尺寸的體型。本研究通過試驗尋找最優(yōu)體型，以期使槽內(nèi)形成臨界流且水頭損失相對最小。擬以該量水槽為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬方法來進行進一步的研究內(nèi)流場分布。其體型結(jié)構(gòu)參數(shù)及實體示意圖如圖1所示。

圖1 便攜式三角形長喉道量水槽結(jié)構(gòu)及實體圖

1.2 試驗設(shè)計

試驗位于西北農(nóng)林科技大學(xué)水力學(xué)試驗大廳，試驗渠道為U型渠道，總長12 m，渠道深45 cm，弧底直徑40 cm，中心角152°（該U型渠道下部形狀及尺寸與田間灌水溝接近），粗糙系數(shù)0.011。量水槽安裝位置距渠道上游進水口6.25 m處，槽順?biāo)鞣较虬卜庞谇字休S線上，并填堵與渠道的空隙。試驗系統(tǒng)布置圖詳見圖2。田間灌水溝底坡一般較緩，前期試驗設(shè)置了1/500～1/12 000范圍內(nèi)的渠道坡度，進行了影響因素探究，發(fā)現(xiàn)底坡變化對量水槽內(nèi)過流情況影響較?。幻髑y流中底坡越平緩，量水槽的精度越容易受到下游水深的影響，本文選擇較不利的情況進行研究，即底坡較平緩，取底坡=1/ 10 000，以此進行模擬并與試驗對比分析。渠道下游的出水池末端安裝有薄壁三角堰。

實際溝灌中流量范圍一般不超過15 L/s，按照流量范圍在8組流量梯度下分別進行自由出流、淹沒出流下的水力性能試驗。量水槽沿程設(shè)置14個控制斷面來測量水力參數(shù)，具體位置見表1。

注：R為U型渠道弧底的半徑，cm。

表1 各控制斷面在槽內(nèi)的位置

試驗流量由控制閥門來調(diào)節(jié)，實際流量值由標(biāo)準(zhǔn)三角堰測計得出；控制斷面水深測量采用SCM60型水位測針（重慶華正），精度0.1 mm；流速采用Vectrino小威龍三維點式超聲波流速儀（上海精導(dǎo)）測量。

通過試驗得到了16種流量工況（1.03、3.03、5.06、7.07、9.00、11.07、13.07、15.05 L/s下自由出流和淹沒出流）下的量水槽各控制斷面水深，以及部分（9.00、11.07、13.07、15.05 L/s）流量下的斷面流速。

2 溝灌簡易長喉道量水槽數(shù)值模擬

2.1 控制方程

流經(jīng)三角形長喉道量水槽的牛頓流體運動，通過連續(xù)性方程、動量方程來描述，模擬采用的RNG-湍流模型[28]能夠更好地處理流線曲率較大的流動，控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

湍動能方程：

2.2 紊動強度計算公式

Flow-3D中紊動能計算公式為

紊動強度計算公式：

2.3 計算方法

VOF是建立在固定歐拉網(wǎng)格下的流體表面跟蹤方法，F(xiàn)low-3D軟件采用在傳統(tǒng)VOF方法基礎(chǔ)上優(yōu)化后的TruVOF計算方法，通過只計算含有液體的單元來加快收斂的速度，對流體自由表面的模擬更加準(zhǔn)確。FAVOR（fractional area volume obstacle representation）技術(shù)，通過有限差分法網(wǎng)格劃分的方法，使網(wǎng)格模型邊界更加貼近實際，準(zhǔn)確反映真實情況。采用有限體積法離散的控制方程，轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進行求解，對流項采用二階迎風(fēng)格式，擴散項為二階中心差分格式，最小步長設(shè)置為10–6s，計算總時長為300 s。

模擬采用FLOW-3D軟件進行，使用Pro/Engineer5.0按照原型試驗渠槽進行三維建模，設(shè)置渠道邊壁厚度為 2 cm。設(shè)置與試驗相同的16種工況（1.03～15.05 L/s流量下自由出流和淹沒出流），分別進行仿真模擬。

網(wǎng)格劃分：為了使模擬得渠道流態(tài)與實際試驗結(jié)果盡量吻合，同時節(jié)省迭代計算時間，本模擬選取距量水槽段進口上游4.5 m至出口下游5 m范圍的模型區(qū)域進行模擬。由于量水槽尺寸小、溝道較長，量水槽部位網(wǎng)格加密，尺寸為0.75 cm×0.75 cm×0.75cm，使其具有較高的擬合度，溝道部分尺寸為1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm，以減少總網(wǎng)格數(shù)量，提高模擬運算效率，總網(wǎng)格數(shù)量為740 363個。

邊界條件：根據(jù)實際情況，模擬渠道及量水槽中的水流為恒定流，渠道上游進口邊界設(shè)置為流量進口邊界，根據(jù)原型試驗中相應(yīng)的實際流量來設(shè)定流量值；渠道下游出口邊界設(shè)置為自由出流邊界（outflow）；渠道及槽體的兩側(cè)及底部邊壁邊界設(shè)置為固體邊界（wall）；渠道及量水槽上部為空氣進口。如圖3所示。

圖3 三維模型與邊界設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬可靠性驗證

3.1.1 流態(tài)及水面線分析

通過分析量水槽內(nèi)部過水流態(tài)，可以得到三角形長喉道量水槽對水流的影響，進而分析其水力性能。槽內(nèi)水流流態(tài)由傅汝德數(shù)來確定，由各斷面水深及流速計算得到各斷面的傅汝德數(shù)，進一步可得到沿程流態(tài)變化情況。不同流量工況下流態(tài)趨勢一致，以流量為9.00 L/s時自由出流情況下試驗與模擬水流流態(tài)分布為例，如圖4所示，對比模擬與試驗得到的所有流量工況下過槽水流流態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：在進入量水槽首斷面后，水面均呈現(xiàn)平穩(wěn)的狀態(tài)，一直持續(xù)到收縮段；在進入喉道段首斷面后，水流受到量水槽收縮段的橫向約束，向槽的中軸線匯集，水面伴隨著波動開始出現(xiàn)明顯的下落；進入喉道段后，水面下降減緩，水面出現(xiàn)菱形波，水流由緩流變化到急流；通過喉道段后，水面出現(xiàn)第2次明顯的下落，之后以較高的流速流出量水槽下泄至下游渠道。

注：流量為9.00 L×s–1。

圖5為所有流量工況下量水槽內(nèi)試驗與模擬的水面線沿程變化。在不同流量以及不同出流條件下，模擬與實測值非常接近，沿程水面線變化規(guī)律基本一致，自由出流時水深最大相對誤差出現(xiàn)在流量為11.07 L/s時的斷面14處，為–8.89%，最小相對誤差出現(xiàn)在7.07 L/s時的斷面3處，為–0.12%，相對誤差絕對值的平均為3.03%；淹沒出流情況下水深最大相對誤差出現(xiàn)在流量為7.07 L/s時的斷面8處，為9.52%，最小相對誤差出現(xiàn)在5.06 L/s時的斷面8處，為0，相對誤差絕對值的平均為3.69%；所有流量工況下的水深相對誤差均小于10%，對于針對溝灌下應(yīng)用的三角形長喉道量水槽，相對于田間過槽流量多在15 L/s以下、水深25 cm以下的實際情況來說，模擬結(jié)果已具有較高的精確度。

注：圖中線從上到下依次為流量15.05、13.07、11.07、9.00、7.07、5.06、3.03、1.03 L×s-1時的模擬值。

3.1.2 傅汝德數(shù)

明渠水流與大氣接觸具有自由液面，采用無量綱的傅汝德數(shù)F判斷其水流流態(tài)，模擬得到的F基于每個（,）點上對應(yīng)的豎直列區(qū)域來計算，其中流速為該點深度上的平均流速，水深為該點上對應(yīng)的水深。選擇流量為9 L/s自由出流情況和淹沒出流情況下，模擬得到三角形長喉道量水槽內(nèi)F沿程變化，圖6為自由出流情況下F沿程變化情況。自由出流情況下，量水槽進口段及收縮段F均小于0.5，水流流態(tài)為穩(wěn)定的緩流，滿足量水槽的測流要求[29-30]，進入收縮過渡段后，F開始出現(xiàn)明顯增加，在喉道段F由小于1發(fā)展為大于1，水流由緩流逐漸發(fā)展為臨界流、急流，即在喉道段內(nèi)產(chǎn)生臨界流，流量不同時臨界流出現(xiàn)的位置不同。在之后F繼續(xù)增大，直到水流流出量水槽。該變化規(guī)律與量水槽設(shè)計基本理論、工作原理及試驗水流現(xiàn)象一致。

需要說明的是，傳統(tǒng)水力學(xué)與CFD模擬中對F計算方法的不同，水力學(xué)中F的定義是基于全斷面，同時F的物理意義是慣性力與重力的比值，從能量角度分析是過水?dāng)嗝鎲挝毁|(zhì)量液體平均動能與勢能之比的2倍開平方。由于數(shù)值模擬中將流動空間劃分為網(wǎng)格，連續(xù)的流場參數(shù)采用離散的網(wǎng)格上數(shù)據(jù)進行表示，即每個有限體積單獨存儲數(shù)據(jù)，在Flow-3D軟件中F的定義采用單個有限體積寬度上的平均水深進行計算，比如閘墩附近的水流、彎道水流，水面線不是水平面或斷面不同位置處的水深不同時，用這樣的定義能夠較細致地分析流場分布特點。

注：流量為9.00 L×s-1，下同。

3.2 橫斷面流速分析

不同流量下槽內(nèi)流速分布變化規(guī)律基本一致，以流量為9.00 L/s的自由出流工況為例（圖7），分析槽內(nèi)流速分布變化。

圖7 自由出流下量水槽斷面流速沿程變化

由圖7可知，水流在進入收縮段前，斷面流速分布較為均勻，水流平緩，斷面最大時均流速位于靠近水面的斷面中間部位，邊壁附近流速較低；進入收縮段后，水流受到兩側(cè)壁面的橫向收縮影響，且由于斷面為上寬下窄的梯形，水流產(chǎn)生2次流向斷面中間匯聚，最大縱向時均流速區(qū)域向下偏移，發(fā)展至喉道首斷面（控制斷面4）處，最大縱向時均流速集中在倒三角形斷面底部的近壁附近。水流進入喉道段，斷面形式未發(fā)生進一步收縮約束，縱向時均流速均勻性及最大時均流速位置進一步發(fā)生變化，在斷面4之后，最大時均流速不斷向上偏移，且斷面整體流速趨向均勻，只在邊壁附近流速較低，斷面6處達到較高的斷面流速均勻性，并一直持續(xù)到斷面8；斷面9處，斷面流速重新向不均勻轉(zhuǎn)變，再次出現(xiàn)縱向高流速向底部頂點處匯聚，發(fā)展至斷面11（喉道段末斷面）處，流速分布變得不均勻，最大流速再次集中于三角形斷面底部的近壁附近。在量水槽的擴散段及出口段，流速分布逐漸趨向均勻，高流速區(qū)位置上升。其中收縮段時均流速分布不均勻度較強，產(chǎn)生了較為強烈二次流作用，造成能量損失的增加，后續(xù)擬對此部位進行調(diào)整優(yōu)化。

3.3 橫斷面中垂線流速分布

分析三角形長喉道量水槽沿程縱向時均流速，能夠有效反映量水槽內(nèi)水流流動變化規(guī)律，分析其水力特性，對指導(dǎo)量水槽體型改進優(yōu)化有重要意義。提取模擬結(jié)果中的縱向時均流速進行分析，圖8a給出了流量為9.00 L/s時，自由出流情況下中垂線處縱向時均流速在量水槽中的沿程分布情況，其中相對水深為該斷面中垂線處水深最大值與數(shù)據(jù)點距離量水槽底部的距離的比值。由圖可知，進口段中垂線處流速分布接近于均勻，隨著進入收縮段受到約束，水流紊動的各向異性產(chǎn)生第二類二次流，原本處于水面處的高速水流不斷向下輸送，側(cè)壁附近的低速水流輸送至中間部位，這就使中垂線處的縱向流速最大值向下移動，到斷面5時最大流速已位于靠近底部的位置，而緊靠底部邊壁附近由于黏滯性的影響，流速較低。在喉道段后半段，越靠近喉道段出口，最大縱向流速位置越低且流速不斷增大，在喉道段出口（斷面11）處縱向流速最大值達到1.36 m/s。在喉道段下游，斷面12（擴散段）處依然還受到二次流的影響，最大流速位置仍在水面以下。喉道段末端面（斷面11）下游的擴散段及出口段，水流已具有向均勻流恢復(fù)的趨勢，斷面14處最大流速位置向上移動并接近水面，調(diào)整至接近均勻流的狀態(tài)。當(dāng)喉道段水流接近均勻流時可以與下游水流平穩(wěn)銜接，所以可以適當(dāng)縮短喉道段的長度，即斷面4～11的長度可以適當(dāng)減小，以減少水頭損失。

3.4 紊動強度

分析紊動強度能夠為水面收縮角、喉道段長度的評價與改進提供理論指導(dǎo)，以優(yōu)化量水槽體型，提高過流能力。圖8b給出了流量為9.00 L/s時自由出流情況下中垂線處水流紊動強度在量水槽中的沿程分布情況。量水槽紊動強度總體呈現(xiàn)沿程增加的趨勢，各斷面的紊動強度最大值均出現(xiàn)在水面以下，相對位置在0.13～0.30倍水深之間，靠近底部的位置。在靠近水面的上部，各斷面紊動強度十分接近，處在7.70%～15.88%的范圍內(nèi)，隨著相對水深的減小，紊動強度在某一位置出現(xiàn)明顯增加。進口段和收縮段的2個斷面（斷面1、斷面3）處紊動強度最大值均小于30%。喉道段紊動強度開始出現(xiàn)較大程度的增加，在相對水深0.38～0.44之間的范圍內(nèi)開始出現(xiàn)類似指數(shù)型增大，越接近喉道段下游，紊動強度增大的速率越大，最大值也越大，在喉道段末端面（斷面11）出現(xiàn)紊動強度最大值90.81%。喉道段下游斷面面積擴大，水流湍急且不穩(wěn)定，水面處紊動強度增大，最小值出現(xiàn)在接近水深中部位置，中垂線上整體紊動強度增大。另外，近壁區(qū)紊動的產(chǎn)生和耗散的存在不平衡性[31]，考慮紊動猝發(fā)使紊動強度難以計算，在喉道段近壁區(qū)紊動強度出現(xiàn)減小的現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^調(diào)整量水槽喉道段長度、水面收縮角等體型參數(shù)，降低紊動強度，減小水頭損失。

圖8 中垂線處縱向時均流速及紊動強度沿程分布

3.5 測流原理及公式

3.5.1 測流原理分析

根據(jù)臨界流原理，水流在通過三角形喉道量水槽時，由于喉道段斷面變小，水流由緩流轉(zhuǎn)變?yōu)榧绷?，在喉道段某一斷面產(chǎn)生臨界流，自由出流時下游水深不影響上游水位，臨界流斷面的水深與流量具有穩(wěn)定的關(guān)系。本量水槽內(nèi)水流雷諾數(shù)>>2 000，屬于紊流，斷面流速分布較均勻（見圖7和圖8），但邊壁附近流速與平均流速差異較大，所以不能直接認(rèn)為斷面動能修正系數(shù)等于1，因此在能量方程中引入斷面動能修正系數(shù)。若忽略能量損失，取臨界流斷面上游某斷面與臨界流斷面，由能量守恒定得：

式（10）表明臨界水深可以用這一上游斷面水深來表達。

結(jié)合式（9）可得：

式中為過水?dāng)嗝媪髁?，m3/s；為過水?dāng)嗝嫠鎸挾?，m；A為臨界流斷面過水面積，m2。

式（10）代入式（11）得：

由于實際中水頭損失的存在，引入C為修正參數(shù)；C為流速系數(shù)，可得：

流量所有的影響系數(shù)都包含在式（14）中的綜合流量系數(shù)中，即式（14）已將動能修正系數(shù)的影響考慮在內(nèi)。該公式形式簡單，便于實際應(yīng)用，后文的流量計算公式以此公式為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)的擬合得到相應(yīng)的經(jīng)驗公式。

3.5.2 測流公式

根據(jù)前述測流原理分析所得水位流量關(guān)系式（14），將量水槽內(nèi)控制斷面1～斷面8的水深與流量分別擬合建立關(guān)系式，其決定系數(shù)2見表2。

由表2可知斷面5的2值最大（0.999 3），流量與水深的符合良好的冪函數(shù)關(guān)系，且該斷面水流較平穩(wěn)，綜合考慮實際應(yīng)用中的操作性，以斷面5為計算參考斷面，擬合公式為

表2 量水槽內(nèi)斷面水深與流量的關(guān)系擬合

注：是流量，m3×s–1；是相應(yīng)斷面處水深，m。

Note:is flow rate, m3×s–1;is water depth at corresponding section, m.

擬合公式計算流量與實測值之間的最大相對誤差為4.34%，最小相對誤差為0.03%，相對誤差絕對值的平均為1.86%。實際應(yīng)用中通過測量該斷面位置處水深，代入式（15）計算，即可得出流量。

淹沒出流情況下，取同一斷面（斷面5）的水深，綜合淹沒度，進行多元線性回歸分析，得到流量計算關(guān)系式：

式中S為淹沒度，S=下/上，其中上與下分別為斷面1與斷面14水深，m。經(jīng)計算，流量計算值與實測值之間的最大相對誤差3.47%，最小相對誤差為0.28%，相對誤差絕對值的平均為1.94%。2種情況下得到的流量公式均得到了具有較高精確度的計算結(jié)果，滿足田間量水的精度要求。

4 結(jié)論與建議

本研究提出一種適用于灌區(qū)田間溝灌的便攜式三角形長喉道量水槽，在原型試驗的基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬的方法對該量水槽水力性能進行研究，主要結(jié)論如下：

1）從溝灌簡易長喉道量水槽原型試驗出發(fā)，通過對比試驗與模擬結(jié)果的各項數(shù)據(jù)結(jié)果，得到模擬與試驗結(jié)果十分接近，其中水深、縱向流速最大相對誤差均在10%以內(nèi)，水流流態(tài)變化規(guī)律相一致。表明數(shù)值模擬精度較高，結(jié)果可靠，通過數(shù)值模擬的方法來進行該量水槽水力性能的探究是完全可行的。

2）對縱向時均流速進行了系統(tǒng)分析。在喉道段末端面前，量水槽縱向時均流速沿程不斷增大，由于二次流的作用，在收縮段及喉道段，縱向流速最大值的位置存在于水面以下，越靠近收縮段、喉道段出口，最大縱向流速位置越低，斷面流速分布越不均勻；在喉道段末端面下游，最大流速位置向上移動并接近水面，調(diào)整至接近均勻流的狀態(tài)。

3）該簡易長喉道量水槽的紊動強度總體呈現(xiàn)沿程增加的趨勢，各斷面的紊動強度最大值相對位置在0.13到0.30之間，沿程逐漸上升。喉道段紊動強度在某一位置出現(xiàn)突增，越接近喉道段下游，紊動強度增大的速率越大，最大值也越大。對縱向時均流速及紊動強度的分析，可為量水槽喉道段長度、收縮段長度等體型參數(shù)的進一步優(yōu)化提供參考與指導(dǎo)。

4）由數(shù)值模擬的計算結(jié)果分析得到斷面5水深與流量的乘冪關(guān)系，建立了該量水槽流量計算公式。計算流量值與實測流量相比，自由出流下最大相對誤差為4.34%，最小相對誤差為0.03%，相對誤差絕對值的平均為1.86%；淹沒出流下最大相對誤差3.47%，最小相對誤差為0.28%，相對誤差絕對值的平均為1.94%，具有較高精確度的計算結(jié)果，滿足末級田間量水精度要求。然而，流量計算公式中的參數(shù)是采用了自己的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，未考慮量水槽體型、渠道底坡、淹沒度等因素的影響，有待于進一步的檢驗。

三角形長喉道量水槽的單槽測流范圍為1～15 L/s，達到溝灌灌水溝中的過流量要求。在體型特點上，該量水槽喉道設(shè)計為三角形斷面，使小流量下的水位提高，進而提高測流精度。制作工藝上，該量水槽結(jié)構(gòu)參數(shù)簡單，材料可采用鍍鋅鐵皮或PVC板，成本低且便攜，適于推廣應(yīng)用。

[1] 中華人民共和國水利部. 2014年中國水資源公報[R/OL]. 2014-12-31[2018-04-01].

http://www.mwr.gov.cn/sj/tjgb/szygb/201612/t20161222_776054.html

[2] 孫景生，康紹忠. 我國水資源利用現(xiàn)狀與節(jié)水灌溉發(fā)展對策[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16(2)：1－5. Sun Jingsheng, Kang Shaozhong. Present situation of water resources usage and developing countermeasures of water- saving irrigation in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2000, 16(2): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[3] 王增發(fā). 我國節(jié)水灌溉技術(shù)的研究與推廣[J]. 節(jié)水灌溉，1998(1)：38－40. Wang Zengfa. Research and promotion of water saving irrigation technology in China[J]. Water Saving Irrigation, 1998(1): 38－40. (in Chinese with English abstract)

[4] 汪順生，費良軍，高傳昌，等. 不同溝灌方式下夏玉米棵間蒸發(fā)試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(9)：66－71. Wang Shunsheng, Fei Liangjun, Gao Chuanchang, et al. Soil evaporation of summer maize under different furrow irrigations[J]. Transactions of The CSAM, 2012, 43(9): 66－71. (in Chinese with English abstract)

[5] 水利部農(nóng)村水利司．節(jié)水灌溉[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

[6] 劉小飛，費良軍，孫景生，等. 壟植溝灌夏玉米棵間蒸發(fā)試驗研究[J]. 排灌機械工程學(xué)報，2016，34(4)：332－338. Liu Xiaofei, Fei Liangjun, Sun Jingsheng, et al. Experiment on soil evaporation of summer maize in furrow irrigation[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(4): 332－338. (in Chinese with English abstract)

[7] 吳彩麗，黃斌，謝崇寶. 灌區(qū)量水技術(shù)與設(shè)備研究發(fā)展概況[J]. 中國水利，2006(7)：68.Wu Caili, Huang Bin, Xie Chongbao. Research and development of water measuring technology and equipment in irrigation district[J]. China Water Resources, 2006(7): 68. (in Chinese with English abstract)

[8] 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.

[9] Vatankhah A R, Mahdavi A. Simplified procedure for design of long-throated flumes and weirs[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2012, 26(8): 79－84.

[10] Das R, Nayek M, Das S, et al. Design and analysis of 0.127 m (5") Cutthroat flume[J]. Ain Shams Engineering Journal, 2015, 8(3): 295－303.

[11] Manekar V L. Discharge relation for cutthroat flume under free-flow condition[J]. Journal of Irrigation & Drainage Engineering, 2007, 133(5): 495－499.

[12] Hu Han, Huang Jiesheng, Qian Zhongdong, et al. Hydraulic analysis of parabolic flume for flow measurement[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2014, 37: 54－64.

[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(xué)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] 潘志寶，呂宏興，張曉斐，等. 梯形渠道機翼形量水槽試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(12)：97－100.Pan Zhibao, Lü Hongxing, Zhang Xiaofei, et al. Experiment on airfoil-shaped measuring flume in tapezoidal canal[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(12): 97－100. (in Chinese with English abstract)

[15] Hager W H. Modified trapezoidal venturi channel[J]. Journal of Irrigation & Drainage Engineering, 1986, 112(3): 225－241.

[16] 蔡勇，李同春，吉慶豐，等. 梯形渠道圓柱形量水槽的試驗研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2005(8)：63－66. Cai Yong, Li Tongchun, Ji Qingfeng, et al. Experimental research on cylinder flow-measuring flume in trapezoid- transect canal[J]. China Rural Water and Hydropower, 2005(8): 63－66. (in Chinese with English abstract)

[17] 潘志寶. 機翼形量水槽水力特性試驗與數(shù)值模擬研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.Pan Zhibao. Experiment and Numerical Simulation on Hydraulic Characrteristics of Airfoilshaped Measuring Flume[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[18] 金兆森，程吉林. 介紹一種田間量水工具：移動式量水槽[J]. 江蘇水利，1991(2)：58－63，70. Jin Zhaosen, Cheng Jilin. Introduce a field measuring water tool—movable flume[J]. Jiangsu Water Resources, 1991(2): 58－63,70. (in Chinese with English abstract)

[19] 薛城，王文娥，胡笑濤，等. 溝灌簡易長喉道量水槽水力性能初探[J]. 灌溉排水學(xué)報，2018，37(10)：87－93.Xue Cheng, Wang Wene, Hu Xiaotao. Measuring the hydraulic characteristics of the triangle long-throated flume used in furrow irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2018, 37(10): 87－93. (in Chinese with English abstract)

[20] 丁瑞，茅澤育，王建龍. 電子束輻照水處理反應(yīng)器的CFD 模擬與優(yōu)化[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2017，37(3)：980－988. Ding Rui, Mao Zeyu, Wang Jianlong. CFD simulation and optimization of the water treatment reactor by electron beam[J]. China Environmental Science, 2017, 37(3): 980－988. (in Chinese with English abstract)

[21] 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(xué)，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)

[22] 冉聃頡，王文娥，胡笑濤，等. 梯形喉道無喉道量水槽設(shè)計及其水力性能模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(15)：177－183. Ran Danjie, Wang Wen￠e, Hu Xiaotao, et al. Design of trapezoidal cut-throated flume and its hydraulic performance simulation and test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[23] 胡昊，李歡歡，汪順生，等. 入溝流量對灌水質(zhì)量和水流特性的研究[J]. 節(jié)水灌溉，2016(10)：47－50. Hu Hao, Li Huanhuan, Wang Shunsheng, et al. The inflow discharge of furrow study on irrigation quality and flow characteristics[J]. Water Saving Irrigation, 2016(10): 47－50. (in Chinese with English abstract)

[24] 宋雪. 制種玉米交替隔溝灌水施氮的效應(yīng)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016. Song Xue. Effect of Alternate Irrigation and Nitrogen Application Partial Root Zone of Maize[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[25] 張永勝，成自勇，張芮，等. 控制性交替隔溝灌溉對甜椒農(nóng)田蒸散特征的影響[J]. 水土保持學(xué)報，2009，23(2)： 223－227. Zhang Yongsheng, Cheng Ziyong, Zhang Rui, et al. Evapotranspiration characteristics of capsicum under alternative furrow irrigation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2009, 23(2): 223－227. (in Chinese with English abstract)

[26] 吳迪，孟偉超，薄曉東，等. 不同地面灌溉方式對制種玉米產(chǎn)量與水分利用效率的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報，2014，33(3/4)：185－188.Wu Di, Meng Weichao, Bo Xiaodong, et al. Effect of different surface irrigation methods on yield and water use efficiency of maize for seed[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2014, 33(3/4): 185－188. (in Chinese with English abstract)

[27] 張新民，張吉孝，單魚洋. 壟作溝灌水分入滲模擬與灌水溝斷面優(yōu)化[J]. 水土保持研究，2014，21(1)：137－141.Zhang Xinmin, Zhang Jixiao, Shan Yuyang. Numerical simulation of infiltration and cross-section optimization under furrow irrigation[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2014, 21(1): 137－141. (in Chinese with English abstract)

[28] Yakhot V, Qrzag S A. Renormalization group analysis of turbulence: basic theory[J]. Scient Comput, 1986, 1: 3－11.

[29] 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(xué)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)

[30] 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(xué)學(xué)報，2014，19(1)：168－174.Liu Jiamei, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Numerical simulationof water-measuring pillar with round head in the U- shapedchannel[J]. Journal of China Agricultural University, 2014, 19(1): 168－174. (in Chinese with English abstract)

[31] Nezu I, Nakagawa H. Turbulence in open-channel flows[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1994, 120(10): 1235－1237.

Numerical simulation and test of hydraulic performance for triangle long-throat flume for water measurement in furrow irrigation

Wang Wene, Xue Cheng, Hu Xiaotao

(712100,)

In view of the lack of effective water measuring facilities for furrow irrigation areas in North China, a portable triangular long-throated flume was proposed as a small flow water measuring equipment in the field. This study was to investigated its hydraulic performance of the triangular long-throated flume based on both test and numerical analysis. The prototype test was carried out in Northwest A & F University in Yangling, Shannxi of China. The flume was installed at 6.25 m far from the inlet of upstream of U-shaped channel. The base slope of the channel was 1/10 000. The triangular weir was installed at the end of the discharge pond downstream of the channel. A total of 14 sections were designed to observe the flow characteristics. The numerical simulation was used to study its hydraulic characteristics of the flume by using the flow-3D-based CFD method. Based on the RNG-three-dimensional turbulence model together with the TruVOF technique, experiments and the corresponding simulations were performed for 16 working conditions (the flow rate of 1.03, 3.03, 5.06, 7.07, 9.00, 11.07, 13.07 and 15.05 L/s under free and submerged outflow conditions) on the trapezoidal triangle long-throat flume with flow rate up to 15 L/s. The flow pattern, water depth and Froude number, the longitudinal mean velocity and turbulence intensity were analyzed. The results from the prototype experiment was used to validate the simulation results. The results showed that the maximum relative error between the tested water depth and the simulated value was less than 10% under all the 16 flow rate conditions. The variation of the tested and simulated flow pattern were consistent with each other, indicating that the simulation had a high accuracy. The longitudinal mean flow velocity of the shrinkage section and the throat section of the flume continuously increased along the water flow. The maximum flow velocity existed below the water surface. The longitudinal mean flow velocity increased along the flume at the contraction section and throat section. The maximum flow velocity occurred under the water surface. The position where maximum flow velocity occurred was lowered and the flow velocity distribution was uneven at the position closer to the contraction section and throat section. The turbulence intensity showed a trend of increasing along the flume. The relative water depth with the maximum turbulence intensity of each section was between 0.13 and 0.30, and gradually increased along the flume. Through the derivation of critical flow theory and regression analysis, the flow rate estimation formula for the long-throat flume was obtained based on water depth. The maximum relative error between the calculated result and the actual flow rate was 4.34%, the mean absolute relative error was 1.86%. Under the condition of submerged outflow, the maximum relative error was 3.47% and the mean absolute relative error was 1.94%. It suggested that the model had the high accuracy and could met the common requirements of flow measurement in irrigation areas. The study can guide the further optimization of the shape parameters such as the length of the throat section of the flume and the shrinkage angle of the water surface.

numerical analysis; flow velocity; flow rate; portable triangle long-throated flume; turbulence intensity

王文娥，薛城，胡笑濤. 溝灌三角形長喉道田間量水槽水力特性試驗及數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：109－116.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.014 http://www.tcsae.org

Wang Wene, Xue Cheng, Hu Xiaotao. Numerical simulation and test of hydraulic performance for triangle long-throat flume for water measurement in furrow irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 109－116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.014 http://www.tcsae.org

2018-05-21

2019-01-01

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503125）；“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0400203）

王文娥，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)、流體機械及排灌設(shè)備等研究。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.03.014

S274.4

A

1002-6819(2019)-03-0109-08