摘要： 為探究堰槽組合設(shè)施的水力特性及適用性，通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì) 3 組坡度 （0.1%，0.4%，0.8%）、9 組流量進(jìn)行水力性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬對(duì)于堰槽組合的適用性，探究了不同底坡下堰槽組合裝置的測(cè)流機(jī)制.結(jié)果表明：3 組坡度閾值相對(duì)水深為0.880，0.930和0.873，測(cè)流公式精度較高，對(duì)應(yīng)的平均誤差分別為1.20%，1.69%和1.74%；不同坡度下，量水槽內(nèi)水深沿程降低，中垂線平均流速沿程增加，流量小于閾值流量時(shí)，綜合流量系數(shù)和中垂線平均流速隨流量的增加而增大；流量大于閾值流量時(shí)，在過(guò)渡段上游1/3附近中垂線平均流速大小一致，流量系數(shù)和上游中垂線平均流速隨流量的增大而減小，下游隨流量的增大而增大；數(shù)值模擬結(jié)果最大誤差為4.16%，與試驗(yàn)相吻合，數(shù)值模擬適用于堰槽組合量水設(shè)施的研究.

關(guān)鍵詞： 堰槽組合；流量測(cè)量；數(shù)值模擬；水力特性；測(cè)流公式

中圖分類號(hào)： S274.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2024）10-1044-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0198

張文科，何新林，李小龍，等. 堰槽組合設(shè)施水力特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2024，42（10）：1044-1051.

ZHANG Wenke， HE Xinlin， LI Xiaolong，et al. Experimental and numerical simulation study on hydraulic performance of weir-flume combination facility[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2024， 42（10）： 1044-1051. （in Chinese）

Experimental and numerical simulation study on hydraulic

performance of weir-flume combination facility

ZHANG Wenke1，2， HE Xinlin1，2*， LI Xiaolong1，2， ZENG Yufeng1，2， WANG Jiaxin1，2

（1. College of Water Conservancy amp; Architectural Engineering， Shihezi University， Shihezi， Xinjiang 832000， China; 2. Key Laboratory of Cold and Arid Regions Eco-Hydraulic Engineering of Xinjiang Production amp; Construction Corps， Shihezi， Xinjiang 832000， China）

Abstract： In order to investigate the hydraulic properties and applicability of the weir-flume combination facilities， 3 groups of slopes （0.1%， 0.4%， 0.8%） and 9 groups of flow rates were designed to conduct hydraulic performance tests by combining modeling tests with numerical simulations. The applicability of numerical simulation for weir-flume combination was verified， and the flow measurement mechanism of weir-flume combination devices under different bottom slopes was explored. The results show that the relative water depths of three groups of slope thresholds are 0.880， 0.930 and 0.873， and the accuracy of the flow measurement formulas is high， with corresponding average errors of 1.20%， 1.69% and 1.74%， respectively. Under different slopes， the water depth in the measuring flume decreases along the course， and the average longitudinal velocity increases along the course. When the flow rate is less than the threshold flow rate， the comprehensive flow coefficient and the average longitudinal velocity increases with the increase of the flow rate. When the flow rate is greater than the threshold flow rate， the size is consistent near the average longitudinal velocity in the 1/3 upstream of the transition section， the flow coefficient and the average longitudinal velocity of the upstream decrease with the increase of the flow rate， while the average longitudinal velocity of the downstream increases with the increase of the flow rate. The maximum error of numerical simulation results is 4.16%， which is consistent with the test， and the numerical simulation is suitable for the study of weir-flume combination water measuring facilities.

Key words： weir-flume combination;flow measurement;numerical simulation;hydraulic properties;flow-measuring formula

新疆氣候干旱，降水稀少，是典型的“綠洲灌溉農(nóng)業(yè)”，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長(zhǎng)期依賴灌溉，農(nóng)業(yè)用水比例高，隨著用水需求增加，水資源供需不平衡日益突出，水資源緊缺制約著新疆農(nóng)業(yè)的發(fā)展.因此，對(duì)用水量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量不僅是優(yōu)化水資源配置的重要基礎(chǔ)，而且為推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革提供了依據(jù)，減少了供水單位和用水組織之間的矛盾.

西北地區(qū)渠道中泥沙含量高，大面積推行膜下滴灌技術(shù)，灌溉水中的泥沙易堵塞滴灌帶.量水堰作為各級(jí)渠道中廣泛應(yīng)用的工程措施，通常用于治理河道泥沙.渠道中沉積物和漂浮物等雜質(zhì)多、流量變幅大等問(wèn)題使測(cè)流工作變得復(fù)雜，故需改進(jìn)現(xiàn)有的測(cè)量結(jié)構(gòu)以解決當(dāng)?shù)氐膶?shí)際問(wèn)題并提高精度.PITON 等[1]發(fā)現(xiàn)量水堰不僅能夠穩(wěn)定河床，還能通過(guò)緩沖作用影響推移質(zhì)的運(yùn)輸和泥沙傳播規(guī)律.KALITA 等[2]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M克倫普堰和溢流堰的流動(dòng)，檢驗(yàn)了數(shù)值模型的質(zhì)量.凌剛等[3]對(duì)不同出口寬度的堰槽組合設(shè)施水力性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)出口寬度對(duì)槽內(nèi)的水流有明顯影響.隨后，他們還研究了臂坡對(duì)堰槽組合設(shè)施泄流能力的影響，結(jié)果表明增大臂坡可有效提高小流量工況下的測(cè)流精度[4].廖偉等[5]探究了臂坡對(duì)堰槽組合設(shè)施水流紊動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)臂坡能有效提高設(shè)施的消能率.JIN 等[6]對(duì)魚(yú)形量水槽在不同工況下進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了便攜式魚(yú)形量水槽在“U”形渠道中的水力特性和測(cè)流性能.XU 等[7]評(píng)估了巴歇爾槽不同翼墻形式對(duì)測(cè)流精度和水力特性的影響.

前人對(duì)量水堰和量水槽多是進(jìn)行獨(dú)立研究[8-10〗，對(duì)于堰槽組合應(yīng)用于灌區(qū)末級(jí)渠道量水的研究相對(duì)較少，缺乏數(shù)值模擬適用性的研究，且底坡對(duì)堰槽組合的水力性能和測(cè)流機(jī)理的影響尚不明確[11].文中研究基于模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，對(duì)比不同工況下堰槽組合設(shè)施的水力特性，建立不同過(guò)流機(jī)制下流量與測(cè)點(diǎn)水深的關(guān)系，為堰槽組合設(shè)施的推廣及應(yīng)用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 堰槽組合設(shè)施結(jié)構(gòu)

根據(jù)堰槽組合設(shè)施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在克倫普堰中間加設(shè)量水槽.量水槽分為矩形段、過(guò)渡段和梯形喉段，槽底為渠底，量水槽深 15 cm.上游分水墻厚度為 2 cm，迎水面呈 45° 斜坡的半圓柱形；梯形喉段長(zhǎng)15 cm；克倫普堰迎水坡面坡度為1∶2，背水坡面坡度為1∶5，具有水面線過(guò)渡平順的特點(diǎn)，堰高和槽深相等.堰槽組合設(shè)施通過(guò) 3D 打印技術(shù)采用樹(shù)脂材料制成，用玻璃膠固定在試驗(yàn)渠道中.體型參數(shù)詳見(jiàn)圖 1.

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)于石河子大學(xué)水力大廳進(jìn)行，試驗(yàn)裝置的主要組成部分有地下水庫(kù)、供水系統(tǒng)、電磁流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥門(mén)、上游穩(wěn)水池、渠道、水位測(cè)量系統(tǒng)、流速測(cè)量系統(tǒng)、堰槽組合設(shè)施、變坡系統(tǒng)等，試驗(yàn)體系及測(cè)點(diǎn)布置平面圖如圖2所示.通過(guò)水泵將地下水庫(kù)中的水抽入供水管道，電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量，水流經(jīng)過(guò)穩(wěn)水池和平水柵后平穩(wěn)地進(jìn)入渠道.試驗(yàn)渠道為矩形，尺寸為30.0 m×0.6 m×0.8 m，材質(zhì)為鋼化玻璃，通過(guò)DCMS型流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量.

試驗(yàn)設(shè)計(jì) 9 組不同的流量，流量范圍5～35 L/s，設(shè)置 0.1%，0.4%，0.8% 3種坡度.以量水槽進(jìn)口上游190 cm處的斷面為起始斷面，分別在上游、槽內(nèi)和下游區(qū)域布置控制斷面及測(cè)點(diǎn)，上游沿中軸線及兩側(cè)沿軸線共布置23個(gè)測(cè)點(diǎn)（L0—L7，M0—M6，R0—R7）；量水槽內(nèi)各段各設(shè)置3個(gè)控制斷面，共10個(gè)測(cè)點(diǎn)（M7—M16）；下游設(shè)置17個(gè)測(cè)點(diǎn)（M17—M33），總計(jì)設(shè)置50個(gè)測(cè)點(diǎn).控制斷面測(cè)點(diǎn)位置如表1所示，表中L為各測(cè)點(diǎn)距測(cè)點(diǎn)M0的距離.

依據(jù)試驗(yàn)布置圖在渠道中安裝堰槽組合設(shè)施，先通過(guò)變坡控制系統(tǒng)將渠道坡度調(diào)整為設(shè)計(jì)坡度，采用流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量至設(shè)計(jì)流量，待流量穩(wěn)定后，通過(guò)自動(dòng)水位測(cè)量系統(tǒng)采集各個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位，并用 ADV 流速儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的流速，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行 3 次測(cè)量取平均值.調(diào)節(jié)流量和坡度至不同工況，重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程.整個(gè)試驗(yàn)均保證自由出流.

2 結(jié)果與分析

2.1 水力特性分析

堰槽組合有2種過(guò)流方式：當(dāng)流量較小時(shí)，水流全部從量水槽內(nèi)部通過(guò)，稱為槽內(nèi)流；隨著流量的增加，水深超過(guò)堰頂，量水槽和堰頂同時(shí)過(guò)流，稱為堰槽流，二者的臨界流量稱為流量閾值.槽內(nèi)測(cè)點(diǎn)水深與過(guò)槽流量具有穩(wěn)定關(guān)系，用于確定通過(guò)水槽和相鄰堰的流量.該測(cè)點(diǎn)處水深與槽深的比值為相對(duì)水深[12]，通過(guò)相對(duì)水深可判斷過(guò)流方式.不同坡度的流量閾值分別為 19.73，20.16，19.88 L/s（對(duì)應(yīng)流量閾值相對(duì)水深分別為0.880，0.930，0.873）.

2.1.1 水面線

水面線可以直觀反映水流沿程變化情況.通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)水深，2種過(guò)流方式不同工況下試驗(yàn)段中垂面水深沿程變化如圖3，h為中垂面上各測(cè)點(diǎn)的水深，Q為流量.

由圖3可知，水面線沿程總體變化趨勢(shì)基本一致.量水槽進(jìn)口過(guò)流斷面收縮，水流在上游產(chǎn)生壅水，渠道坡度越大，壅水越嚴(yán)重；水流進(jìn)入量水槽矩形段，水位略微下降；水流進(jìn)入過(guò)渡段，過(guò)流斷面逐漸減小，水面出現(xiàn)明顯下降；水流經(jīng)過(guò)加速進(jìn)入梯形喉部形成控制段，水面下降最快，流態(tài)從緩流變?yōu)榧绷?，并產(chǎn)生臨界流.水流流出量水槽后，過(guò)流斷面突然變大，量水槽對(duì)水流的側(cè)向約束消失，水流向兩側(cè)和下游沖擊形成薄水層，水面進(jìn)一步降低，渠道側(cè)壁限制水流的側(cè)向流動(dòng)，在下游形成中間淺、兩側(cè)深的現(xiàn)象.同一流量在不同坡度下，水面線在出口附近基本重合，坡度對(duì)于此段水流流態(tài)影響不大.渠道兩側(cè)的水流匯流后導(dǎo)致下游水深增加，水面線升高，水流由急流變?yōu)榫徚?，在薄水層后形成水躍，此時(shí)水面運(yùn)動(dòng)劇烈，水流出現(xiàn)明顯的摻氣現(xiàn)象.薄水層前端水深隨流量的增大而增加.槽內(nèi)流時(shí)，流量越大，發(fā)生水躍的位置越靠后，坡度只影響其下游水深；發(fā)生堰槽流時(shí)，流量和坡度對(duì)水躍的位置影響不大.

2.1.2 弗勞德數(shù)

弗勞德數(shù)Fr用來(lái)判別明渠水流流態(tài)，根據(jù) Fr 可判斷臨界流出現(xiàn)的位置[13].當(dāng) Fr=1 時(shí)，慣性力與重力作用相等，水流為臨界流；當(dāng) Fr＜1 時(shí)，慣性力小于重力作用，水流為緩流.流態(tài)分為槽內(nèi)流和堰槽流，對(duì)不同的過(guò)流機(jī)制采取不同的計(jì)算方式.槽內(nèi)流時(shí)，斷面平均流速可通過(guò)式 （1） 計(jì)算；堰槽流時(shí)，采用流速儀測(cè)量得到的中垂線平均流速來(lái)計(jì)算 Fr，如式（2）所示.

Fr=vgh=QAgh，（1）

Fr=vvcrgh，（2）

式中：v為斷面平均流速，m/s；h 為斷面平均水深，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；A為過(guò)流面積，m2；vvcr為中垂線平均流速，m/s.

槽內(nèi)流時(shí)，不同工況下Fr 沿程變化如圖4a所示，F(xiàn)r沿程總體變化趨勢(shì)相似.量水槽上游Fr沿程減小且保持在0.15～0.25，滿足測(cè)流規(guī)范，F(xiàn)r隨坡度的增加而增加；水流進(jìn)入量水槽后，水面下降，勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，F(xiàn)r增至0.30～0.40，流量越大，F(xiàn)r越大；進(jìn)入過(guò)渡段后，F(xiàn)r增速加快；梯形段內(nèi)Fr增速最大，水流由緩流轉(zhuǎn)為急流.根據(jù)量水規(guī)范要求，水位測(cè)點(diǎn)處需滿足Fr＜0.50[13].由圖4可知，發(fā)生槽內(nèi)流時(shí)，測(cè)點(diǎn)M11上游測(cè)點(diǎn)均滿足量水水位測(cè)點(diǎn)選取標(biāo)準(zhǔn)；發(fā)生堰槽流時(shí)，測(cè)點(diǎn)M10上游測(cè)點(diǎn)滿足水位測(cè)點(diǎn)要求.

2.1.3 流速分布

不同坡度下中垂線平均流速如圖5所示.

垂線平均流速都具有沿程增大的規(guī)律.量水槽入口過(guò)流面積減小，流速增大，過(guò)渡段內(nèi)水流不斷加速，在梯形段形成臨界流.槽內(nèi)流時(shí)，流量越大，各測(cè)點(diǎn)流速也越大，坡度對(duì)其變化趨勢(shì)影響較小.當(dāng)流量超過(guò)閾值流量后，不同流量下流速分布線在測(cè)點(diǎn)M11附近相交，即該測(cè)點(diǎn)附近流速相同，而在M7—M10，流速隨流量的增加而減小.水流在進(jìn)口被分水墻分成3部分，隨著流量的增大，通過(guò)堰的流量增加，水深在堰前壅高，超過(guò)分水墻高程，部分流量躍過(guò)分水墻進(jìn)入量水槽，使槽內(nèi)流量沿程增加，流速逐漸增大.

2.2 流量公式

2.2.1 測(cè)流公式

槽內(nèi)流時(shí)，臨界流位于梯形段，臨界斷面具有穩(wěn)定的水深-流量關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明，臨界斷面位置會(huì)隨流量變化，無(wú)法確定臨界斷面的準(zhǔn)確位置，因此選擇上游水流平穩(wěn)的斷面作為測(cè)量斷面，通過(guò)能量方程建立穩(wěn)定的流量水深關(guān)系式.假設(shè)忽略測(cè)點(diǎn)斷面至臨界斷面的能量損失，結(jié)合伯努利方程可以得到槽內(nèi)流的測(cè)流公式為

Q=vcAc=ghcbhc=bghc3/2，（3）

Q=2323bghi+Δz+v2i2g3/2，（4）

式中：vc為臨界流速，m/s；Ac為臨界斷面面積，m2；hc為臨界水深，m；b為梯形段底寬，m；hi為上游測(cè)點(diǎn)水深，m；Δz為上游測(cè)點(diǎn)基于臨界斷面底部高程的位置水頭，m；vi為上游測(cè)點(diǎn)平均流速，m/s.

在實(shí)際測(cè)量中無(wú)法確定流速水頭，因此采用水深代替總水頭.測(cè)量斷面總水頭包括位置水頭、壓力水頭及流速水頭，將總水頭轉(zhuǎn)換成hi.考慮測(cè)量斷面和臨界斷面間的能量損失，引入綜合流量系數(shù)Cdv對(duì)流量公式進(jìn)行修正，由此得到槽內(nèi)流的測(cè)流公式為

Q=0.385Cdvb2ghi3/2.（5）

堰槽流時(shí)，克倫普堰上游水深高于槽深，水流發(fā)生橫向流動(dòng)進(jìn)入量水槽，槽內(nèi)流量沿程增大.因此，王文娥等[11]將堰槽流下的堰槽組合設(shè)施看作2個(gè)“L”形迷宮堰，提出堰頂溢流時(shí)堰槽組合設(shè)施的流量公式為

Q=0.385m0Lw2gh3/2w，（6）

式中：m0為堰槽流的綜合流量系數(shù)；Lw為堰槽組合的有效臂長(zhǎng)，m；hw為堰槽組合設(shè)施上游高于堰頂高程的水深，m.

2.2.2 流量系數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用槽內(nèi)流流量公式計(jì)算不同流量下各測(cè)點(diǎn)（M7—M10）的綜合流量系數(shù)，分別對(duì)M7—M10斷面相對(duì)水深與綜合流量系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)綜合流量系數(shù)與測(cè)點(diǎn)M9處的相對(duì)水深的相關(guān)性最好，3種坡度下的相關(guān)系數(shù)分別為0.997 5，0.995 0，0.991 9，擬合得到綜合流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為

Cdv1=0.907 3+0.475 8（h9/d）+0.039 9（h9/d）2，（7）

Cdv4=0.857 6+0.633 8（h9/d）-0.016 4（h9/d）2，（8）

Cdv8=1.102 9+0.177 9（h9/d）+0.198 76（h9/d）2，（9）

式中：Cdv1，Cdv4和Cdv8分別為坡度 0.1%，0.4%，0.8%流量閾值內(nèi)的綜合流量系數(shù)；h9為測(cè)點(diǎn)M9處的水深，m;d為槽深；h9/d為測(cè)點(diǎn)M9處的相對(duì)水深.

槽內(nèi)流時(shí)，擬合綜合流量系數(shù)與測(cè)點(diǎn)M9的相對(duì)水深得到擬合曲線，如圖6a所示，相同坡度下，綜合流量系數(shù)隨測(cè)點(diǎn)相對(duì)水深的增加而增大，在同一相對(duì)水深下，渠道坡度越大，流量系數(shù)越大.

堰槽流時(shí)，選擇上游水流緩慢平穩(wěn)的測(cè)點(diǎn)M1的水深h1作為測(cè)點(diǎn)水深，擬合不同坡度下的流量系數(shù)與hw/h1，對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 4，0.999 9和0.999 9，擬合得到流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為

m0-1=0.329 34（hw/h1）-1.405 65，（10）

m0-4=0.338 84（hw/h1）-1.416 74，（11）

m0-8=0.329 34（hw/h1）-1.461 92，（12）

式中：m0-1，m0-4和m0-8分別為0.1%，0.4%，0.8%坡度下的流量系數(shù).

擬合不同坡度下流量系數(shù)m0與測(cè)點(diǎn)M1的相對(duì)水深hw/h1，得到擬合曲線如圖6b所示.由圖可知，不同坡度下，流量系數(shù)隨hw/h1的變化趨勢(shì)相近，流量系數(shù)的變化范圍較大；相同坡度下，流量系數(shù)隨相對(duì)水深的增加而減??；同一相對(duì)水深下，坡度越大，流量系數(shù)越大.

2.2.3 測(cè)點(diǎn)M1與測(cè)點(diǎn)M9的水深關(guān)系

量水槽上游流速緩慢，水流中的泥沙等沉積物會(huì)在堰槽前沉積，使測(cè)點(diǎn)M1處水深的測(cè)量誤差較大，因此水深監(jiān)測(cè)需要選擇沒(méi)有沉積物的區(qū)域.在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)量水槽內(nèi)水流流速增加，不會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積.因此，堰槽流的水位測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)布設(shè)在槽內(nèi)，以避免淤積對(duì)測(cè)流精度的影響.

測(cè)點(diǎn)M9為槽內(nèi)流的測(cè)點(diǎn)，且與M1水深之間相關(guān)性高，因此，將測(cè)點(diǎn)M1的水深轉(zhuǎn)化為M9的水深，測(cè)量中對(duì)測(cè)點(diǎn)M9進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)，即可獲得渠道中的流量.測(cè)點(diǎn)M1相對(duì)水深隨測(cè)點(diǎn)M9相對(duì)水深的增加而增加，具有很明顯的線性關(guān)系，3種坡度對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)分別為0.999 6，0.993 5和0.996 4，擬合得到不同坡度下水深經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化公式為

h1-1/d=0.122 73+0.919 61（h9-1/d），（13）

h1-2/d=0.112 29+0.912 53（h9-2/d），（14）

h1-3/d=0.147 65+0.845 75（h9-3/d），（15）

式中：h1-1，h1-2，h1-3分別為0.1%，0.4%，0.8%坡度下測(cè)點(diǎn)M1水深；h9-1，h9-2，h9-3分別為0.1%，0.4%，0.8%坡度下測(cè)點(diǎn)M9水深.

2.2.4 流量公式精度驗(yàn)證

將綜合流量系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式代入槽內(nèi)流流量公式，水位轉(zhuǎn)化公式和流量系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式代入堰槽流流量公式，試驗(yàn)中的各工況下測(cè)點(diǎn)M9的水深代入流量公式，得到不同工況下的計(jì)算流量，并與實(shí)測(cè)流量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量的最大誤差為7.39%，最小為0.05%，平均誤差為1.54%. 3組坡度（0.1%，0.4%，0.8%）對(duì)應(yīng)的平均誤差分別為1.20%，1.69%和1.74%.渠道越緩，流量公式精度越高.結(jié)果表明流量公式計(jì)算精度較高，滿足灌區(qū)量水要求.

3 堰槽數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究堰槽組合設(shè)施內(nèi)部流場(chǎng)分布，深入探究其水力特性，利用 Fluent 對(duì)堰槽組合設(shè)施進(jìn)行模擬分析，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證模擬的適用性及準(zhǔn)確性.

3.1 控制方程與網(wǎng)格及邊界條件

明渠水流中流體為氣液兩相流，2種流體互不相溶，采用VOF模型模擬自由水面，計(jì)算域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格單元中氣體和液體的體積分?jǐn)?shù)和為1.根據(jù)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸建立數(shù)值模型，由于試驗(yàn)水深較淺，為提高計(jì)算速率，構(gòu)建渠道模型高度為50 cm.重力加速度為-9.81 m/s2.明渠流動(dòng)是充分發(fā)展的湍流，RNG k-ε模型能更好地處理有強(qiáng)旋流和彎曲流線流動(dòng)的湍流計(jì)算問(wèn)題，更加適用于明渠三維數(shù)值模擬.使用瞬態(tài)算法，時(shí)間步長(zhǎng)0.001 s.采用混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，上下游渠道采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，堰槽組合段采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行局部加密.渠道的空氣進(jìn)口設(shè)置為pressure-inlet，水體進(jìn)口設(shè)置為velocity-inlet；渠道及堰槽壁面默認(rèn)無(wú)滑移，設(shè)置為wall；水流出口設(shè)置為pressure-outlet，選擇PISO算法進(jìn)行壓力-速度的耦合求解.

3.2 模擬結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)比不同工況下沿程水深及流速的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性.以0.1%坡度為例，結(jié)果如圖7所示，對(duì)比自由出流條件下沿程水深和流速的模擬值和實(shí)測(cè)值，可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合，分析數(shù)據(jù)得出實(shí)測(cè)值與模擬值誤差最大為4.16%，平均誤差值為1.70%，誤差滿足小于5.00%，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性.

3.3 流線特征及流速分布

槽內(nèi)流以10.02 L/s流量為例，堰槽流以25.00 L/s流量為例，得到不同過(guò)流情況下的流線及流速v分布如圖8所示，圖中I為渠道坡度.由圖可知，量水槽上游水流平緩，流線基本平行；槽內(nèi)流時(shí)，水流進(jìn)入量水槽，受分水墻的分割，一部分流向堰前產(chǎn)生壅水，此處流線較為紊亂；進(jìn)口處過(guò)流斷面突變，水流發(fā)生繞流，流線出現(xiàn)明顯彎曲；水流在槽內(nèi)匯集，流線逐漸收縮，密度變大，水流加快；水流流出量水槽后，流線向兩側(cè)分散.堰槽流時(shí)，堰槽段流線分為3部分，一部分直接從量水槽內(nèi)部通過(guò)，一部分從堰頂通過(guò)，少部分躍過(guò)分水墻進(jìn)入量水槽.最大流速出現(xiàn)在出口下游區(qū)域.槽內(nèi)流時(shí)，水流在出口向兩側(cè)自由發(fā)散，最大流速出現(xiàn)位置靠后；堰槽流時(shí)，通過(guò)堰頂?shù)乃鲗?duì)量水槽流出的水流產(chǎn)生擠壓，水流很快由急流變成緩流，阻礙出口處水流的擴(kuò)散，使最大流速出現(xiàn)位置提前.根據(jù)堰槽橫斷面流速分布圖可以看出，流速在量水槽內(nèi)沿程逐漸變得集中，呈現(xiàn)對(duì)稱分布.槽內(nèi)流時(shí)，流速大的地方靠近槽底中間；堰槽流時(shí)，流速大的地方靠近槽底兩側(cè)，這是由于堰前水位高于分水墻，水流橫向流動(dòng)沿槽體進(jìn)入槽內(nèi)，使槽內(nèi)靠近槽體的流量增加，流速增大.

4 討 論

堰槽組合設(shè)施能夠在大范圍的流量下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量，具有較高的靈敏度.水流在量水槽內(nèi)不斷加速，泥沙等在槽內(nèi)沉積的風(fēng)險(xiǎn)降低，位于量水槽內(nèi)的水位測(cè)量點(diǎn)能很好地避免沉積對(duì)測(cè)量精度的影響.在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然在低流量條件下無(wú)法完全避免水槽內(nèi)泥沙的沉積，但是沉積層相對(duì)較薄，因此不會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.渠道上游停止放水，少量泥沙會(huì)在槽內(nèi)沉積，但是在下次放水的時(shí)候，水流將重新懸浮槽內(nèi)的沉積物，有較好的自清潔功能.流量大于閾值流量時(shí)，測(cè)點(diǎn)水位轉(zhuǎn)換為上游渠道中的相應(yīng)水位，不受上游渠道中沉積物沉積的影響，可以更準(zhǔn)確地估算上游水位[14].量水槽具有穩(wěn)定的校準(zhǔn)特性，不受相鄰堰結(jié)構(gòu)變化的影響；克倫普堰相對(duì)容易建造，堰體堅(jiān)固，對(duì)堰頂三角形輪廓的輕微損傷不敏感.槽內(nèi)流時(shí)，建立的流量公式不受堰形的影響；堰槽流時(shí)，需根據(jù)堰形對(duì)堰槽流的流量公式進(jìn)行探討.

隨著渠道坡度的增加，水流在堰槽上游壅水更加明顯，流量公式精度逐漸降低，因此在應(yīng)用中為保證其自由出流的條件，需盡量選擇坡度較緩的渠道.

文中研究是在理想的試驗(yàn)室條件下進(jìn)行，實(shí)際應(yīng)用中的問(wèn)題往往會(huì)導(dǎo)致整體精度降低，比如：水位測(cè)量或設(shè)施安裝精度差、淹沒(méi)出流、堰頂出現(xiàn)沉積等.沉積物對(duì)水位測(cè)量的誤差難以量化，因此，對(duì)堰槽組合設(shè)施應(yīng)進(jìn)行定期檢查和校核，最大限度地減小這種影響.

5 結(jié) 論

1） 在渠道坡度為 0.1%，0.4% 和 0.8% 時(shí)，堰槽的閾值流量分別為 19.73，20.16，19.88 L/s，對(duì)應(yīng)流量閾值相對(duì)水深 0.880，0.930，0.873.

2） 堰槽上游水深沿程增加，坡度越大，壅水高度越大；水流進(jìn)入量水槽后，水深沿程下降，渠道坡度越大，水深越小.水流進(jìn)入堰槽前， Fr 沿程減小，進(jìn)入量水槽后 Fr 沿程增大，在過(guò)渡段和梯形段增速最大.流量越大，F(xiàn)r 值越大；量水槽內(nèi) Fr 值隨坡度的增加而增大，但坡度對(duì) Fr 的影響較小.

3） 槽內(nèi)流的綜合流量系數(shù)隨坡度的增加而增大，堰槽流時(shí)，不同坡度下流量系數(shù)隨相對(duì)水深的變化總體趨勢(shì)接近，變化范圍較大，流量系數(shù)隨相對(duì)水深的增加而減小.

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（責(zé)任編輯 黃鑫鑫）