【摘要】：灌區(qū)量水是實現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的重要手段,已研發(fā)的灌區(qū)量水設(shè)施種類繁多,但主要適用于底坡小于1/2000的緩坡渠道。山前沖積平原的灌溉渠道底坡較大,一般為1/150-1/200,目前對于底坡較大的U形渠道量水設(shè)施研究非常匱乏。跌水是常見的渠道落差建筑物,自由出流跌水上游臨界流斷面或跌坎處水深與流量關(guān)系穩(wěn)定,可用于渠道流量的測量,具有無新增量水建筑物和水頭損失的優(yōu)點。目前對于利用U形渠道跌水水力性能進行流量測量方面,還缺乏系統(tǒng)深入的研究,很有必要對U形渠道跌水水力性能進行及防沖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究,為灌區(qū)流量量測提供理論指導(dǎo)和參考。本文基于及臨界流原理建立了U形渠道臨界流斷面水力要素關(guān)系式,根據(jù)布辛內(nèi)斯克近似的動量方程、堰流理論建立了跌坎上游水深與跌坎處水深(end-depth)的關(guān)系式,提出了3種估算自由出流流量的方法,通過在兩種U形渠道不同底坡的自由跌水試驗及數(shù)值模擬,提出了估算自由出流流量的方法,確定了U形渠道跌水水位流量關(guān)系式。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下:(1)基于布辛內(nèi)斯克近似的動量方程和堰流理論,提出了跌坎末端水深比(EDR)和末端水深流量(EDD)兩種水位流量理論關(guān)系;通過兩種尺寸U形渠道試驗數(shù)據(jù)驗證,發(fā)現(xiàn)所得關(guān)系式準(zhǔn)確且精度較高,當(dāng)EDR值在0.74到無量綱跌坎處水深?~*_(0))=0.287之間,其中?~*_(0))和無量綱臨界水深?~*_((8)在隨?~*_(0))減小之前都在底弧區(qū)內(nèi)。(2)采用計算流體動力學(xué)(CFD)軟件FLOW-3D中進行U形渠道跌水?dāng)?shù)值模擬,模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合;分析了弗勞德數(shù)、水深、速度和壓力等基本水力參數(shù)的沿程規(guī)律。(3)由于跌水水舌對下游渠道沖擊力較大,影響渠道穩(wěn)定性,根據(jù)模擬結(jié)果分析了不同工況下U形渠道跌水水流對下游河道沖擊壓力的分布特征。當(dāng)落差較高時,高壓較尖銳,壓力值較大,建立了最大沖擊壓力值與落差、流量位置的關(guān)系。為了減小水流對渠道的沖擊破壞,設(shè)計了反堰和階梯結(jié)構(gòu)兩種常見消能結(jié)構(gòu),并通過CFD模擬試驗。反堰形成的消力池不能減小跌水水流的沖擊力,但可以使下游水流水深增加、流速變緩;階梯式結(jié)構(gòu)對下游河道的沖擊壓力有很明顯的消散作用,但結(jié)構(gòu)后的連續(xù)流動并不像反堰那樣使水流深緩。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S277

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