冉聃頡，王文娥，胡笑濤

梯形喉口無喉道量水槽設(shè)計及其水力性能模擬與試驗

冉聃頡，王文娥※，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）

為了解決灌區(qū)普遍存在的通過增大水頭損失來提高測流精度的問題，該文提出了一種具有梯形喉口的無喉道量水槽，并給出了量水槽參數(shù)與渠道尺寸的比例關(guān)系。該文在原型試驗基礎(chǔ)上，通過Flow-3D軟件對過槽水流進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了測流過程中水流流態(tài)、縱向時均流速分布、水頭損失、湍動耗散沿程變化以及測流精度。研究結(jié)果表明：縱向時均流速分布和水流流態(tài)的模擬值與實測值最大相對誤差均不超過10%，其模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為吻和；基于臨界流原理和能量守恒推出的水位流量關(guān)系式，進(jìn)一步回歸分析得到測流公式，其計算值與實測值最大相對誤差為9.21%，滿足量水精度要求；水頭損失隨著流量增大而增大，當(dāng)流量大于45 L/s時，增大趨勢明顯變緩；最大水頭損失不超過上游總水頭10%，相比長喉道、巴歇爾、拋物線形量水槽水頭損失較小。該研究可為灌區(qū)渠道量水設(shè)施設(shè)計提供參考。

渠道；數(shù)值模擬；流量；梯形喉口量水槽；流速分布；水頭損失

冉聃頡，王文娥，胡笑濤. 梯形喉口無喉道量水槽設(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. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.023 http://www.tcsae.org

Ran Danjie, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. 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) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.023 http://www.tcsae.org

0 引 言

隨著全球?qū)?yōu)化水資源管理的需求，對農(nóng)業(yè)灌溉用水進(jìn)行有效管理極為重要[1-2]。在灌區(qū)重要的輸水、排水明渠內(nèi)進(jìn)行精確量水是必不可少的[3-4]。國內(nèi)外現(xiàn)有量水設(shè)施的研究表明，量水槽在明渠量水中應(yīng)用較為廣泛[5-6]。在十八世紀(jì)，文丘里發(fā)現(xiàn)了管道局部收縮的效應(yīng)[7]，隨后文丘里槽被提出并廣泛應(yīng)用于灌區(qū)量水[8]。巴歇爾在文丘里槽測流原理基礎(chǔ)上提出了短喉道量水槽中最具代表性的巴歇爾量水槽[9-12]。1967年Skogerboe等[13]首次提出了矩形喉口無喉道槽，現(xiàn)已用于矩形、梯形和U形渠道[14-15]。關(guān)于過去幾十年廣泛應(yīng)用的長喉道量水槽[16]，可追溯到Bazin在1888年對寬頂堰的研究[17]。自20世紀(jì)50年代以來，中國灌區(qū)量水技術(shù)經(jīng)過60多年的發(fā)展，在量水性能以及體型優(yōu)化方面取得了大量成果，如各類長喉道、短喉道、無喉道傳統(tǒng)量水槽[18-22]。隨著中國渠道斷面形式的優(yōu)化，中國學(xué)者在傳統(tǒng)量水槽的基礎(chǔ)上提出了大量新型量水槽，如機翼形、拋物線形、柱形、直壁式等量水槽[23-29]。梯形渠道與矩形渠道相比，梯形斷面具有更好的水力性能，與U形渠道相比，其更易修建與維護(hù)。所以，目前梯形渠道仍然是中國灌區(qū)使用最多的末級輸水渠道[30]。已研發(fā)出的、用于梯形渠道的量水設(shè)施有巴歇爾量水槽，矩形喉口無喉道量水槽等[31]，由于巴歇爾量水槽喉口斷面小，大流量時上游壅水嚴(yán)重、水頭損失較大，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，灌區(qū)基層技術(shù)人員很難精確修筑，實際應(yīng)用中常常造成量水精度較低；矩形無喉槽的水頭損失較長喉槽小，但其矩形喉口斷面與梯形渠道斷面形狀差異大，大流量時上游壅水嚴(yán)重，水流急劇收縮，會出現(xiàn)嚴(yán)重的局部水頭損失。目前，灌區(qū)量水的研究大多采用模型試驗的形式，但試驗條件具有局限性，無法獲得全流場的水力特性以及內(nèi)部能耗特性。因此，本文基于末級梯形渠道幾何特點，通過理論分析設(shè)計了一種簡易的梯形喉口無喉道量水槽?；谔菪魏砜跓o喉道量水槽原型試驗，采用FLOW-3D對其水力性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并與原型試驗結(jié)果進(jìn)行比較。在試驗和模擬結(jié)果相互驗證準(zhǔn)確的前提下進(jìn)一步分析過槽水流的水力性能，旨在更深入了解其內(nèi)部流場分布，為梯形喉口無喉道量水槽的體型優(yōu)化和在梯形渠道的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)斗渠以下的典型梯形渠道結(jié)構(gòu)和斷面尺寸，設(shè)計了梯形喉口無喉道量水槽，該量水槽由收縮段和擴散段組成，槽底為原渠底，無底檻，兩段之間為梯形喉口。已有量水槽測流特性研究中，普遍存在大流量（高水位）時水頭損失大，小流量（低水位）時測流精度低的問題[31]。當(dāng)喉口斷面為下窄上寬的梯形時，喉口斷面與梯形渠道斷面形狀相似，可有效降低大流量時的水頭損失，小流量時可提高測流精度，避免已有量水設(shè)施普遍存在的通過損失部分水流機械能來提高測流精度的問題。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 梯形喉口無喉道量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of trapezoidal cut-throated flume

通過對夾角α范圍為0°～30°的梯形喉口無喉道量水槽研究得出適宜夾角α范圍為12°～20°。基于中國北方末級梯形渠系夾角β范圍一般為30°～60°，β取值最多的是45°，所以設(shè)計α與β關(guān)系為（90°-α）=1/3（90°-β）；根據(jù)已有量水槽適宜喉口收縮比范圍[5]（0.4～0.7）以及適宜夾角α范圍（12°～20°），設(shè)計b=0.6B。由于當(dāng)水面收縮角過大時，水流急劇收縮，水流紊動加劇，產(chǎn)生水面波動，能量損失增加，過流能力降低。水面收縮角過小時，量水槽長度過長不利于修建，其中水面最大收縮角指水面邊線與渠道中線的夾角。所以設(shè)計收縮段入水口側(cè)壁頂部沿水流方向的長度L1=（B1-b1），即槽進(jìn)口段邊墻按1∶2收縮，擴散段出水口側(cè)壁頂部沿水流方向的長度L2=2（B1-b1），即槽出口段邊墻按1∶4擴散；所設(shè)計的梯形喉口無喉道量水槽槽高與渠高一致。

2 試驗布置與方法

在西北農(nóng)林科技大學(xué)水工大廳進(jìn)行試驗，試驗系統(tǒng)由泵房、薄壁三角堰、給水管、梯形渠道、梯形喉口無喉道量水槽、儲水池、尾門和回流管道等構(gòu)成?；炷撂菪吻赖灼?/2 000，邊坡系數(shù)m=1，底寬B=0.3 m，渠高H=0.5 m，渠長34 m，渠道綜合粗糙系數(shù)w取0.013。為了槽前水流平順，在距進(jìn)水口20 m（渠道中部）修筑梯形喉口無喉道量水槽，量水槽的中軸線與梯形渠道的中軸線重合，本試驗渠道尺寸在末級梯形渠道規(guī)格范圍內(nèi)。

根據(jù)試驗渠道尺寸，設(shè)計的量水槽參數(shù)如下：H=0.5 m，b=0.18 m，夾角α=15°，L1=0.85 m，L2=1.7 m。槽內(nèi)及上下游渠道共設(shè)置16個測流斷面，如圖2所示，其中槽內(nèi)14個斷面和上下游各取1個斷面，從上游測點依次編號為1～16。斷面1在槽上游距槽進(jìn)口2 m處，斷面16在槽下游距槽出口2 m處，斷面2為槽進(jìn)口（收縮段首斷面）斷面，斷面8為喉口斷面，斷面15為槽出口斷面（擴散段末斷面），各控制斷面的具體位置如表1所示。由于灌區(qū)末級灌水一般為輪灌，末級渠道過水流量相對穩(wěn)定，一般過渠流量不超過60 L/s[5]。所以設(shè)計在14種流量工況（4.61、8.29、10.58、14.87、15.88、17.65、19.78、23.08、34.77、39.76、44.62、55.00、65.00、75.00 L/s）下進(jìn)行了量水槽自由出流試驗。試驗通過調(diào)節(jié)閥門來控制過槽流量，過槽流量首先通過電磁流量計讀數(shù)然后使用渠尾三角堰量測確認(rèn)，槽內(nèi)速度通過小威龍流速儀量測，水深通過SCM60型水位測針量測，其精度高達(dá)±0.1 mm。

表1 各控制斷面所處位置Table 1 Position of each control section

3 梯形喉口無喉道量水槽數(shù)值模擬

由于試驗條件及儀器性能的限制，原型試驗只能對部分水力參數(shù)進(jìn)行測量，量水槽的測流性能由渠道及過槽水流的內(nèi)流場決定。目前計算流體動力學(xué)方法（CFD）已大量應(yīng)用于復(fù)雜流場的模擬分析，成為深入研究水流水力性能與內(nèi)流場分布關(guān)系的有效方法，因此本文運用數(shù)值模擬方法獲得測流過程全流場的分布，通過與實測流速、流態(tài)比較，確定適宜的模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)上探索內(nèi)流場分布與量水槽水力性能的關(guān)系。

3.1 模型建立與邊界條件

本研究采用FLOW-3D Version11軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)原型試驗的渠槽幾何尺寸，通過Pro/Engineer 5.0進(jìn)行渠槽系統(tǒng)的三維建模，渠槽系統(tǒng)的材質(zhì)通過設(shè)置與試驗系統(tǒng)相同的表面粗糙系數(shù)實現(xiàn)?；谝话愎腆w表面與層流附面層的間距為一個網(wǎng)格點且便于網(wǎng)格劃分，設(shè)計渠槽系統(tǒng)的邊壁厚度為3 cm。為了確保量水槽內(nèi)流態(tài)不受進(jìn)口和出口條件的影響，同時也考慮合理的計算時間，本研究選取量水槽喉口上游5 m和喉口下游5 m區(qū)域進(jìn)行模擬。

同一流量工況下，渠槽系統(tǒng)內(nèi)水流是恒定流，其邊界設(shè)置如圖2所示。上游渠道進(jìn)口設(shè)定為流量進(jìn)口（volume flow rate），基于試驗實測流量設(shè)置流量值，不指定流動方向與高度，默認(rèn)流體從整個開放區(qū)域垂直邊界流入；下游渠道出口設(shè)定為自由出流（outflow）；渠槽系統(tǒng)底部和左右兩側(cè)邊壁均設(shè)定為固壁邊界（wall）；渠槽系統(tǒng)上部為空氣入口，默認(rèn)該邊界是零流動區(qū)域。

圖2 幾何模型與邊界條件Fig.2 Geometric model and its boundary conditions

3.2 網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算方法

本研究中通過均勻的六面體網(wǎng)格對計算域進(jìn)行fit to geometry離散，設(shè)置網(wǎng)格單元長寬高均為2 cm，網(wǎng)格總數(shù)共計683 000個。Flow-3D中的Favor技術(shù)可解決網(wǎng)格模型失真問題。采用的TruVOF方法只計算含有液體的單元而不考慮只含氣體的單元，相較于傳統(tǒng)的VOF方法很大程度上減少了模型收斂所需時間，對自由液面的描述更加準(zhǔn)確。

潘志寶等在機翼形量水槽模擬研究中[25]，采用Realiazable k-ε、標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε湍流模型進(jìn)行模擬并與試驗比較得出修正的RNG k-ε湍流模型能很好地處理流線彎曲程度稍大的流動。因此本研究也采用修正的RNG k-ε湍流模型對渠槽系統(tǒng)內(nèi)測流過程進(jìn)行模擬，并通過有限差分法將控制流動的基本方程組轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程組并進(jìn)行數(shù)值求解，對流項采取二階迎風(fēng)格式，擴散項采取二階中心差分格式，計算終止時間設(shè)為300 s，設(shè)置最小步長為10-6s。

4 結(jié)果與分析

4.1 數(shù)值模擬可靠性驗證

4.1.1 水流流態(tài)

流態(tài)可以直觀地反映修建量水槽后對渠內(nèi)水流的影響。在量水槽上游水流比較平順，水流流向基本平行；進(jìn)入收縮段后其水面緩慢下降，由于進(jìn)口收縮段的影響，兩側(cè)水流發(fā)生交叉趨于槽中線匯聚；由于喉口處過水?dāng)嗝媸湛s嚴(yán)重，在喉口下游附近水面急劇下降，水面波動較強，且由于收縮段慣性作用繼續(xù)保持收縮特性，靠近兩側(cè)壁處水深比中心處低；隨后槽擴散段后部分水面慢慢升高與下游水面平穩(wěn)銜接，水面橫向分布逐漸恢復(fù)均勻。所有工況下，模擬水深與實測水深最大相對誤差為9.72%，沿程水面變化模擬結(jié)果與試驗觀測結(jié)果一致。圖3給出了流量為34.77 L/s時自由出流條件下實測流態(tài)和模擬流態(tài)對比，模擬水深與實測水深最大相對誤差為6.63%，兩者沿程變化規(guī)律基本吻合，本研究使用的數(shù)值模擬方法可以準(zhǔn)確模擬梯形喉口無喉道量水槽測流過程。

圖3 實測和模擬流態(tài)比較Fig.3 Comparison of measured and simulated flow patterns

佛汝德數(shù)Fr在水力學(xué)中是一個極其重要的判別數(shù)，F(xiàn)r＜1時水流為緩流，F(xiàn)r=1時水流為臨界流，F(xiàn)r＞1時水流為急流，其大小可反映水流流態(tài)。圖4為流量為34.77 L/s時自由出流條件下的模擬佛汝德數(shù)沿程變化規(guī)律。對于明渠測流，一般要求喉口上游佛汝德數(shù)小于0.5，以確保沒有波浪影響，并提高水尺讀數(shù)的精確性。在槽進(jìn)口收縮段佛汝德數(shù)小于0.5，滿足灌區(qū)量水要求。在量水槽內(nèi)佛汝德數(shù)沿程增大，在喉口附近水流由緩流（Fr＜1）變?yōu)榧绷鳎‵r＞1），出現(xiàn)臨界流。

圖4 梯形喉口無喉道量水槽佛汝德數(shù)沿程變化情況Fig.4 Froude number variation along flow of trapezoidal cut-throated flume

4.1.2 流速分布

流速分布是研究梯形喉口無喉道量水槽水力特性的重要基礎(chǔ)，運用縱向時均流速來描述水流沿流動方向的流動，可反映槽內(nèi)水流運動的基本規(guī)律。圖5是流量為34.77 L/s時，自由出流條件下渠底向上水深5 cm處的縱向流速沿程分布試驗和模擬的比較，最大流速實測值與模擬值相對誤差為1.94%，數(shù)值模擬結(jié)果顯示與實測流速分布結(jié)果相似。

圖5 實測和模擬渠底上方5 cm水平剖面流速分布比較Fig.5 Comparison of measured and simulated velocity distribution in 5 cm profile above bottom

由圖5可以看出梯形喉口無喉道量水槽過流時，由于槽上游水流平緩，槽前水流速度相對較小，流速分布均勻。進(jìn)入量水槽進(jìn)口收縮段時，由于過流斷面逐漸減小，速度逐漸增大且由于慣性作用流線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流速分布逐漸趨于不均勻，靠近兩側(cè)壁水流速度比中心低。在量水槽尾部速度分布極其不均且速度明顯增大，這是由于在喉口下游有急劇的水面跌落使水流劇烈變化，存在橫向流速坡度。隨后渠內(nèi)水流速度減小逐漸趨于平緩，流速橫向分布逐漸恢復(fù)均勻。

4.2 測流公式

梯形喉口無喉道量水槽應(yīng)用了臨界流原理測流，灌區(qū)輸水渠道水流大多為緩流，當(dāng)渠道安裝量水槽后，收縮段的側(cè)收縮束窄過水?dāng)嗝鎸挾?，水面線下降，然后進(jìn)入擴散段后過水?dāng)嗝鎸挾戎饾u過渡到渠道寬度；當(dāng)側(cè)收縮達(dá)到一定程度時，槽內(nèi)將出現(xiàn)臨界流，而臨界水深與流量關(guān)系穩(wěn)定，可通過測量該水深推算過槽流量。圖6是不同流量工況下，槽內(nèi)沿程水深變化，可以看出槽上游部分水深較大，水面線基本與渠底平行。進(jìn)入收縮段后水深逐漸變小，靠近喉口附近水深下降明顯，在喉口下游出現(xiàn)水深最小值。水流進(jìn)入擴散段后，由于水流慣性的影響，水深繼續(xù)下降，流線繼續(xù)收縮，形成收縮斷面，隨著擴散段寬度的增加和阻力的作用，動能減小。由于喉口附近出現(xiàn)臨界流，根據(jù)臨界流的水力特性即干擾波不能向上游傳播其影響只能被水流帶向下游，所以自由出流條件下，上游水流不受下游水流影響，其流量與臨界流斷面水深具有穩(wěn)定關(guān)系，由能量方程及臨界流原理可以推導(dǎo)出梯形喉口無喉道量水槽的基本流量形式用于流量測量。

圖6 量水槽沿程水面變化Fig.6 Water surface profiles of trapezoidal cut-throated flume

測流過程中，若上游斷面與臨界流斷面間忽略能量損失，根據(jù)能量守恒有

式中E為水流斷面比能，m；h1為上游控制斷面水深，m；hk為臨界流斷面水深，m；v1上游進(jìn)口段斷面流速，m/s；vk為臨界流斷面流速，m/s；α1為動能修正系數(shù)，取1.0；g為重力加速度m/s2。

水流為臨界流時有：

式中v為斷面流速；h為平均水深[30（]梯形臨界流斷面平均水深h=hk；梯形臨界斷面平均寬度B′=(b+mhk)，m；m為梯形斷面邊坡系數(shù)；b為喉口斷面底寬，m。

由式（2）得臨界斷面：

把式（3）代入式（1）得：

臨界斷面有：

式中0m為流量系數(shù)，m。

由式（5）可知，流量可由臨界水深求出，但流量不同時，臨界水深所在斷面的位置不同。由式（4）可以看出上游某穩(wěn)定斷面水深與臨界水深存在函數(shù)關(guān)系，則可由上游穩(wěn)定斷面水深與流量建立關(guān)系式。則有：

式中Cd為實際流體不同斷面間存在水頭損失的修正系數(shù)；c為常數(shù)；σv為流速影響系數(shù)；a為綜合流量指數(shù)。

則流量形式為：

分別對喉口上游（斷面1～7）共7個斷面水深與實測流量的相關(guān)性進(jìn)行分析，得出斷面2水深和流量的相關(guān)性最強，其復(fù)相關(guān)數(shù)達(dá)0.989 6，而且在不同流量條件下各量水槽斷面2的水流相比其他斷面更平穩(wěn)，因此選用斷面2的水深h作為流量計算的水深測量斷面。在自由出流條件下擬合得到斷面2水深與流量關(guān)系為

運用公式（8）計算各個工況下的流量，并與實測流量進(jìn)行對比。由圖7可以得出：在測流范圍內(nèi)，計算流量與測量流量的最大相對誤差為9.21%，滿足灌區(qū)測流要求。

圖7 實測流量與計算流量比較Fig.7 Comparison of measured and calculated values of discharges

4.3 湍動能耗散

湍動能耗散是指在分子粘性力作用下通過內(nèi)摩擦不斷地將湍流動能轉(zhuǎn)化為分子動能的速率。研究湍動能耗散對測流過程有重要意義，其對水面收縮角的評價與改進(jìn)提供依據(jù)即為量水槽收縮段與擴散段的長度設(shè)計提供依據(jù)。圖8給出了槽進(jìn)口斷面2、進(jìn)口收縮斷面6、喉口斷面8、出口擴散斷面10和槽出口斷面15的湍動耗散分布。由圖8可以看出，在量水槽入口處湍動耗散很小，邊界最大值不超過0.012 5 m2/s3，隨著斷面的逐漸收縮湍動耗散逐漸增大在喉口斷面最大達(dá)到0.3 m2/s3，在擴散段的前部分湍動耗散有所下降，在擴散段后部分由于遠(yuǎn)趨式水躍的出現(xiàn)，湍動耗散最大值約達(dá)0.5 m2/s3。整個量水槽內(nèi)湍動耗散均主要集中在量水槽兩側(cè)邊壁和底部。這是由于湍流速度在空間上存在著隨機漲落會形成顯著的速度梯度，尤其是近壁處的流速梯度大，所以兩側(cè)邊壁和底部湍動耗散更明顯。

圖8 湍動耗散沿程變化Fig.8 Development of turbulent dissipation along flume

4.4 水頭損失

灌區(qū)渠道一般坡度較緩，中國北方平原灌區(qū)，即便是農(nóng)渠，底坡也在1/1 000～1/3 500之間[30]。因而，在灌區(qū)渠道上設(shè)置量水設(shè)施，不能允許大的水頭損失，否則，會在上游造成過大的壅水，增加大量的渠道土方量。當(dāng)渠道水流中含有泥沙時，還會造成上游渠床的淤積變形。水流在通過梯形喉口無喉道量水槽時，由于液體本身存在黏滯性，過水?dāng)嗝嫘螤詈痛笮“l(fā)生變化，流線彎曲，水流摻混加劇，會產(chǎn)生水頭損失。沿程水頭損失與局部水頭損失產(chǎn)生機理相同，但在產(chǎn)生局部水頭損失的地方，主流與邊界分離，并在分離區(qū)有旋渦存在。在旋渦區(qū)內(nèi)部，紊動加劇，同時主流與旋渦區(qū)之間不斷有能量交換，并通過質(zhì)點與質(zhì)點間的摩擦和劇烈碰撞消耗大量機械能。因此，局部水頭損失要比流段長度相同的沿程水頭損失大得多。測流過程中，量水槽長度相對較短，水頭損失主要是局部水頭損失，沿程水頭損失可以忽略不計，因此運用Z+p/γ+v2/2g（其中Z為位置水頭，p/γ為壓強水頭，v2/2g為流速水頭）計算上游首控制斷面和下游末控制斷面總水頭之差作為梯形喉口無喉道量水槽水頭損失[29]。圖9為不同流量下量水槽的水頭損失占總水頭百分比的變化情況。隨著流量的增大水頭損失逐漸增大，當(dāng)流量大于45 L/s時水頭損失增大變緩，在測流范圍內(nèi)最大水頭損失小于總水頭的10%。巴歇爾量水槽、長喉道量水槽、拋物線形量水槽的水頭損失分別占上游總水頭的38%、32%、12%[32]，因此該量水槽水頭損失相對較小，梯形喉口有效改善了水頭損失。

圖9 不同流量下水頭損失變化Fig.9 Head loss variation under different discharges

5 結(jié) 論

本文通過原型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對梯形喉口無喉道量水槽水力性能進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1）對相同流量工況下的水流流態(tài)和縱向時均流速分布的試驗觀測值和模擬結(jié)果對比得出，其最大相對誤差均不超過10%，兩者結(jié)果較為吻合，進(jìn)一步對其分析得出，在量水槽進(jìn)口收縮段水流平緩為緩流，水深較大，沿著流動方向水深逐漸降低，在喉口下游附近出現(xiàn)水深最小的收縮斷面。流速隨著過水?dāng)嗝娴闹饾u收縮而增大，流線逐漸收縮，在量水槽出口擴散段后半部分流速減小水深又逐漸增大。本文提出的梯形喉口無喉道量水槽測流過程中進(jìn)口段水流條件好，具有穩(wěn)定的上游控制斷面水深。

2）由能量方程及臨界流原理可以推導(dǎo)出梯形喉口無喉道量水槽的上游水深與流量有穩(wěn)定關(guān)系。通過分析沿程水面變化及各測流斷面水深與流量的關(guān)系，選取以量水槽進(jìn)口斷面為計算流量的水深測流斷面，擬合得到測流公式，在測流范圍5～75 L/s內(nèi)，計算流量與實測流量的最大相對誤差是9.21%，滿足灌區(qū)量水要求。

3）梯形喉口無喉道量水槽測流過程中，湍動耗散主要集中在兩側(cè)邊壁和底部，槽進(jìn)口收縮段湍動耗散較小說明本研究設(shè)計的水面夾角較適宜，可為梯形喉口無喉道量水槽收縮段的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

4）通過與其他體型量水槽比較得出梯形喉口有效改善了測流過程水頭損失，有益于中國北方平原灌區(qū)末級輸水渠道的水位控制。輸水梯形喉口無喉道量水槽在測流范圍內(nèi)最大水頭損失小于總水頭的10%?？捎行Ы鉀Q以往通過增大水頭損失來提高測流精度的問題。

該梯形喉口無喉道量水槽體型簡單，經(jīng)濟耐用，測流簡單方便，便于灌區(qū)基層人員修建使用，對灌區(qū)末級梯形渠道量水具有很好的實用價值。但本文研究僅適用于灌區(qū)末級梯形渠道，關(guān)于大尺度的梯形渠道量水需進(jìn)一步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究。

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Design of trapezoidal cut-throated flume and its hydraulic performance simulation and test

Ran Danjie, Wang Wen’e, Hu Xiaotao
(Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Area, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Accurate flow measurement is a fundamental component of water management. Owing to their good hydraulic characteristics and easy maintenance, trapezoidal channels have been widely used in terminal water convey systems of China. Previous research indicated that the measuring flume is one of the most accepted and used structures for water discharge measurement. We designed trapezoidal cutthroat flumes to measure the discharge in terminal trapezoidal channels. These flumes can improve flow measuring accuracy without sacrificing water head. We also researched the relationship between channel specification and the flume’s parameters for its application. Based on the RNG k-ε three-dimensional turbulence model along with the TruVOF technique, experiments and corresponding simulations were performed for 14 working conditions on the trapezoidal cut-throat flume with discharges up to 75 L/s to determine its hydraulic performance. Hydraulic performance of the flume obtained from simulation analyses was later compared with observed results based on time-averaged flow field, flow pattern, and velocity distribution. The comparison yielded a solid agreement between the results from 2 methods with the relative error below 10%. On the basis of reliable consequences simulated numerically, analyses of hydraulic performances in detail were carried out. The flow in the upstream of the flume was slow flow with almost parallel flow direction, then the water surface was gradually declined along the contraction segment and the water on both sides tended to converge at the center line. Owing to the severe contraction of the throat section, the water surface near the downstream of the throat section was dramatically declined and the lowest point appeared. From the posterior part of the diffusion section, the water depth gradually increased to the downstream depth with the water depth uniformly distributed in the horizontal section. By analyzing the variation of velocity and total head along the flume under different discharges, it was concluded that both velocity and total head loss accelerated dramatically near the throat. The turbulent dissipation was concentrated in the area near the wall and the bottom of the flume. Regression models developed for upstream depth versus discharge under different working conditions were satisfying with the relative error of 9.21%, which met the common requirements of flow measurement in irrigation areas. Furthermore, the maximum water head loss of the trapezoidal cut-throat flume was less than 10% of the total head. Compared with long-throat flumes, Parshall flumes and parabolic flumes, the head loss of trapezoidal cut-throat flume in trapezoidal channels was less. The three-dimensional turbulence model along with the TruVOF technique allowed one to reproduce the hydraulic characteristics of flow through trapezoidal cut-throat flume in trapezoidal channels. Due to the shorter time demand and lower cost of numerical simulations, compared to experimental studies in predicting the hydraulic characteristics, the simulation of the flow in trapezoidal cut-throat flume in trapezoidal channels based on a properly validated model provided the flow characteristics of these flumes for various flow configurations encountered in the terminal channel. All in all, it is concluded that the trapezoidal cutthroat flume has the advantages of simple structure, low price and high accuracy, plus low head loss. This study provides a reference for the flow measurement of terminal channels in irrigation areas.

canals; numerical analysis; flow rate; trapezoidal-throated flume; velocity distribution; head loss

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.023

S274.4

A

1002-6819(2017)-15-0177-07

2017-04-18

2017-07-19

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（2016YFC0400200）；楊凌示范區(qū)科技計劃項目（2015NY-30）作者簡介：冉聃頡，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。楊凌 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，712100。

Email：r18629429253@gmail.com

※通信作者：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。楊凌 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，712100。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn