毛 潭，李繼棟，史喆瓊，呂壘平

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

平板閘孔自由出流流量系數(shù)的實驗研究

毛 潭，李繼棟，史喆瓊，呂壘平

(北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

搭建了一個水力學的實驗模型，對平板閘孔自由出流流量進行了實驗分析，計算得到了自由出流流量系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)，將其與常用的三種自由出流流量系數(shù)的經(jīng)驗公式的計算值進行比較，為工程應用中經(jīng)驗計算公式的選擇提供了實驗依據(jù)。通過曲線擬合的方法，提出了一種基于二次函數(shù)的自由出流流量系數(shù)的計算方法，為流量計算提供了一種新的參考。

平板閘門；自由出流；流量系數(shù)；實驗

我國水資源總量為2.9×104億m3[1],但農(nóng)業(yè)水利用效率十分低下。鑒于水資源的緊缺狀況，我國建立了很多的輸水系統(tǒng)，相應的管理部門對水的利用按量計費。因此，在不少的灌區(qū)渠道上，建有專門的量水設施，如量水孔板、水閘等，其中，閘門是輸水系統(tǒng)的最常見組成部分。近年來，對閘門出流流量的水力學計算研究越來越多[2-5]。對于平板閘門,一般認為當閘孔開度與堰上水頭的比值e/H≤0.65(e為閘門開啟高度，H為閘前水位深度)時為閘孔出流[6], 當e/H>0.65時為堰流。本文主要就平板閘門的閘孔出流形式進行了實驗研究。

閘孔出流形式有自由出流和淹沒出流兩種流態(tài)[7]。為了探明閘孔自由出流流量系數(shù)的規(guī)律, 設計了一套簡明、實用、精度較高的水力學實驗模型, 對閘孔自由出流的流量系數(shù)進行了實驗研究。

1 實驗模型

按弗勞德準則[8]設計并制作了正態(tài)水工物理模型，比例是1∶10。模型全部采用聚乙烯板制作,提高了模型制作精度，并在各種不同閘門開度的工況下，測量通過閘門的流量。模型示意圖如圖1所示。

1.輸水管；2.蓄水池；3.手動閥門；4.導水管；5.穩(wěn)壓池；6.手動閘門；7.水渠；8.手動閘門；9.回水槽

圖1 實驗模型

實驗過程：首先，開啟水源，通過輸水管1輸送水到蓄水池2中，手動閥門3用來調(diào)節(jié)出水量，通過導水管4進入穩(wěn)壓池5中，調(diào)節(jié)必要的手動閘門6和8；然后，水流進入一個長164.5cm，寬7.4cm,深8.7cm的平底水槽7中；最后，流入長77cm，寬28cm,深65cm的回水槽9中。閘門最小開度精度控制在±0.2mm以內(nèi),蓄水池2和穩(wěn)壓池5緩解了水流沖擊，槽7中安放底部光滑、表面粗糙的橡膠墊，以使模型所帶來的影響減至最小。

2 自由出流

閘后發(fā)生臨界式水躍連接或者遠驅(qū)式水躍連接，出流的流量Q不受下游水深影響。這種出流形式為自由出流，如圖2所示。

圖2 自由出流

對圖2中閘孔自由出流，根據(jù)閘前斷面和閘后收縮斷面的能量方程[9]：

由Q=AV計算流量，A取斷面B的面積，流速V取VB，因此，閘孔自由出流的流量公式[10]：

引起流量計算值不同的主要原因是流量系數(shù)μ0的不同。根據(jù)近年來不斷地研究與試驗，人們提出了多種不同的流量系數(shù)計算公式，而使用最頻繁的主要有三種經(jīng)驗公式。

第一種為直線式的經(jīng)驗公式[11]:

μ0=0.6-0.18e/H(3)

有文獻做了模型試驗，對式(3)進行了優(yōu)化，得到了更準確、實用的表達式[12]：

μ0=0.598-0.190e/H(4)

第二種為曲線式的經(jīng)驗公式[13]：

還有文獻給出了第三種經(jīng)驗公式[14]：

3 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗研究方法：首先，使用圖1的實驗模型進行實驗測量，撤去手動閘門8，調(diào)節(jié)手動閘門6，給定一個開度e，調(diào)節(jié)手動閥門3，待水流穩(wěn)定后，測量閘前水位H，通過記錄時間t和時間t內(nèi)通過的水的體積來計算流量；然后，依次改變閘門開度e，記錄相應的實驗數(shù)據(jù)，再使用式(4)～式(6)計算流量；最后，與實測流量進行比較，見表1。

表1 實測流量與計算流量比較

表2 實驗測量數(shù)據(jù)得出的e/H，μ0

圖3 式(4)與實驗數(shù)據(jù)關系圖

圖4 式(5)與實驗數(shù)據(jù)關系圖

圖5 式(6)與實驗數(shù)據(jù)關系圖

從表1可以看出，式(6)的計算流量與實測流量最為接近。通過3個公式與實驗數(shù)據(jù)的關系圖可以看出，通過不同開度和閘門高度的模型實驗，式(6)與實驗數(shù)據(jù)最為相近。因此，建議工程應用采用式(6)。

a=0.144 4，b=-0.322 2，c=0.634 0

即：

圖6 二次函數(shù)型流量系數(shù)擬合圖

4 結(jié)束語

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，本文擬合出流量系數(shù)二次函數(shù)型公式：

該公式為流量計算提出一種新的參考，并且在面向灌區(qū)調(diào)水工程的遠程自動計量閘門設計[15]中得到了應用。

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Experimental Research of Flow Coefficient for Free Outflow of the Flat Sluice

MAO Tan, LI Jidong, SHI Zheqiong, Lü Leiping

(College of Mechanical and Materials Engineering, North China University of Technology,Beijing 100144,China)

We set up an experimental model of hydraulics, and analyze the free outflow flow of flat sluice. One can obtain the experimental data of the flat sluice freedom flow coefficient by calculation. In comparison with the experimental data and calculated values which is calculated by three commonly different kinds of freedom flow coefficient empirical formula, which can provide an experimental basis for the select of calculating formula of engineering applications. By curve fitting method, one proposed calculation method of free flow coefficient based on a quadratic function, which can provide a new reference for the flow calculation.

flat sluice; free outflow; flow coefficient; experiment

2014-10-27；修改日期: 2014-11-25

北京市人才強教計劃基金資助項目(PHR2011 08053)；山西省水利科學技術基金資助項目(JSKY201007001)。

毛 潭(1982-)，男，碩士，講師，主要從事數(shù)字化制造工藝設計和實驗技術研究工作。

TV

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.003