矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究.pdf
《矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、节水灌溉Water Saving I矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究卢德友1,王莹莹2,3,张文正2,3,贾晓萌2,3(1.河南水利与环境职业学院,郑州 450011;2.中国农业科学院农田灌溉研究所,河南 新乡 453002;3.农业农村部节水灌溉工程重点实验室,河南 新乡 453002)摘 要:矩形侧堰作为一种量水设施,具有结构简单、造价低廉、安装拆卸方便和精度较高等优点,适用于量大面广的小型渠道及田间进水口的量水。对矩形渠道上6种不同高度的矩形侧堰在6种不同流量下进行试验,获得了矩形渠道矩形侧堰上下游附近水面线,研究了壅水高度、水头损失等水力特性,推导了形式简单、精度较高的流量公式。结果
2、表明,主渠道侧堰附近水面靠近侧堰一侧波动程度较大,主渠道中心线次之,远离侧堰一侧的较稳定;壅水高度和水头损失随堰高度的增加而增加;推导的流量公式最大相对误差绝对值为4.98%,平均相对误差绝对值为4.27%,满足相关标准及灌区量水精度要求。关键词:矩形侧堰;壅水高度;水头损失;水力特性;流量公式;侧堰高度中图分类号:S274.4;TV132+.23 文献标识码:A DOI:10.12396/jsgg.2023194卢德友,王莹莹,张文正,等.矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究 J.节水灌溉,2023(9):120-124.DOI:10.12396/jsgg.2023194.LU D Y,WANG
3、 Y Y,ZHANG W Z,et al.Experiment on hydraulic characteristics of the rectangular side weir in rectangular channel J.Water Saving Irrigation,2023(9):120-124.DOI:10.12396/jsgg.2023194.Experiment on Hydraulic Characteristics of the Rectangular Side Weir in Rectangular ChannelLU De-you1,WANG Ying-ying2,3
4、,ZHANG Wen-zheng2,3,JIA Xiao-meng2,3(1.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment,Zhengzhou 450011,China;2.Institute of Farmland Irrigation,CAAS,Xinxiang 453002,Henan Province,China;3.Key Laboratory of Water-saving Engineering,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Xinxiang 453
5、002,Henan Province,China)Abstract:The rectangular side weir,as a kind of water-measuring device,is simple in shape,cost inexpensive,installed and removed easily while with high precision.It can be used for water measuring of the small channel and field inlet.Experiments are taken on different height
6、s of rectangular side weirs under different discharges in rectangular channel.Water profiles near rectangular side weirs were obtained.Backwater height and head loss were analyzed.We obtained the discharge formulae with a simple form yet with high accuracy.The results show that water-surface waves o
7、n the wall near the side weir,the centerline,and the wall in the main channel differ.The backwater height and head loss increase with the increase of weir height.The absolute value of maximum relative error and the mean relative error are respectively 4.98%and 4.27%,meeting relevant standards and th
8、e accuracy of flow measurement in the irrigation district.Key words:rectangular side weir;backwater height;head loss;hydraulic characteristics;discharge formulae;side weir height0引 言灌区用水的精准计量对执行最严格的水资源管理制度及农业以需定水、以水定地、以水定产至关重要。我国对于灌区量水技术的研究从20世纪50年代开始,经过70 a以上的发展,量水技术和方法逐渐趋于成熟1。但是由于我国不同地区的灌区条件各异,存在不
9、同的突出问题,如高含沙水的引黄灌区、坡降大的山区灌区和缓坡渠系的平原灌区,且各灌区文章编号:1007-4929(2023)09-0120-05收稿日期:2023-05-18 接受日期:2023-07-19基金项目:中国高等教育学会2022年度高等教育科学研究规划课题(22SZH0309);中央级科研院所基本科研业务费专项(FIRI2022-11)。作者简介:卢德友(1967-),男,副教授,主要从事水利工程BIM和节水灌溉工程技术研究。E-mail:。通讯作者:王莹莹(1991-),女,助理研究员,主要从事灌区输配水理论与技术研究。E-mail:。120矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究 卢德友
10、 王莹莹 张文正 等工程类型和管理水平不一,因此,量水技术很难完全满足规范化、标准化现代灌区管理工作的需求,尤其是斗渠及以下的小型渠道量水设备的配套率还比较低。薄壁堰流水位流量关系稳定,试验或野外测量时经常使用薄壁堰进行量水2。侧堰属于薄壁堰,其结构简单,量水精度较高,侧堰水力特性研究已经成为很多学者的课题。目前,国内学者对侧堰的研究主要集中在侧堰在水利工程中的应用3,4,国 外 对 于 侧 堰 在 灌 溉 工 程 中 应 用 的 研 究 较 多。EMIROGLU对矩形侧堰的水面线、流量系数等水力特性进行研究,并对基于流量系数推导出来的流量公式与其他学者进行对比5。ALIREZA对不同侧壁坡度
11、下的侧堰进行试验研究,并推导了含有佛汝德数、侧堰高度和侧壁坡度的流量公式6。前人对侧堰流量系数的研究较多,基于流量系数推导出的流量公式精度较高,但大多形式比较复杂,不便于推广应用。本文在王莹莹7-9、王佳伟10,11等人试验研究的基础上,补充分析了矩形渠道上的不同高度的矩形侧堰在不同流量工况下的水面线、壅水高度、水头损失等水力特性,推导了形式简单、精度较高、便于操作的流量公式,以期为侧堰优化选型和在小型渠道中的实践应用提供参考。1试验布置及方案1.1试验布置试验渠道由2条交角为90的矩形渠道构成,分别为主渠道和侧渠道,主渠道长33.1 m、宽0.5 m、深0.6 m,为混凝土衬砌渠道,渠道综合
12、糙率取为0.013,渠道底坡为1/2 000;侧渠道为PVC材料制成的矩形槽,长2 m、宽0.5 m、深0.6 m。在渠道分水口处放置矩形侧堰。主渠道末端下游封闭,水流全部通过侧堰进入侧渠道。图1为试验系统平面图。试验系统流量大小通过阀门调节,测量校核使用直角三角形薄壁堰,即三角形薄壁堰堰顶夹角为90,流量采用式(1)计算。渠道水深测量使用SCM60型水位测针,其测量精度为0.1 mm。Q=1.343 H2.47(1)式中:Q为过堰流量,m3/s;H为三角堰堰上水头,m。1.2试验方案根据灌区小型渠道灌溉流量范围,本试验流量设置6个水平,分别为 15.61、19.65、21.55、28.44、
13、34.70、40.87 L/s;矩形侧堰堰宽均为 50 cm,堰高设置 6个水平,分别为 7.05、10.25、13.15、15.15、17.05、20.35 cm。为了获得主渠道侧堰附近水面变化情况,在侧堰上、下游端30 cm范围内共设置9个测流断面。由于侧堰的泄流作用,主渠道垂直水流方向的水面会向侧堰倾斜,因此9个测量断面分别在靠近侧堰端(简称为侧)、主渠道中心线(简称为侧)和远离侧堰端(简称为侧)3处共计27个测点进行水深的测量8。各测点具体位置如图2所示。2试验结果2.1水面线渠道水深是量水的主要影响因素,水面线又是量水设施研究的主要影响因素,因此需要对主渠道侧堰段水面线进行研究12。
14、水流从主渠道进入与其垂直的侧渠道时,水流流线发生急剧弯曲,水深也发生变化,由于侧堰的设置,各测流断面、侧的水深不相同。为了研究侧堰对主渠道水流的影响,绘制了各矩形侧堰在不同流量下的侧堰附近水面线。相似工况下规律相同,因此,本文仅对其中的一种工况进行分析。图3给出了流量Q=15.61 L/s,侧堰高度h=7.05 cm时不同堰高情况下主渠道侧堰附近水面线的变化情况,横坐标以图1试验系统平面示意图(单位:cm)Fig.1Schematic top view of the experimental system图2试验测流断面位置及测点示意图(单位:cm)Fig.2Schematic diagram
15、 of measuring sections and points121矩形渠道矩形侧堰水力特性试验研究 卢德友 王莹莹 张文正 等主渠道水流流向为正方向,横坐标0点为断面V所在位置,纵坐标表示渠道水深。由图3可知,随着水流的行进,主渠道侧堰上游段水面逐渐下降,在断面处下降到最低,这是因为在断面之后,水流流经侧堰上游开口处,高于堰顶的水流得以宣泄7,10,水流流经侧堰时,因缓流条件下主渠道流量逐渐减少,侧堰段水面线逐渐上升12,在侧堰下游段水面线逐渐趋于平稳。在同一堰高下,侧水面线上下波动较大,侧次之,侧水面线较稳定,受侧堰的影响较小,这与前人研究的规律相同7-11。这说明侧堰的设置对主渠道水
16、流的影响不大,影响范围仅限于主渠道中心线附近。为了深入研究侧堰对主渠道水流的影响,绘制了同一堰高不同流量和同一流量不同堰高下侧水面线,分别以堰高为7.05 cm和流量为28.44 L/s时为例(其他情况下规律亦同),如图4和图5所示,图4和图5的坐标设置与图3相同。由图4可知,堰上水面线为壅水曲线,同一堰高下波动程度随着流量的增大而增大。由图5可知,同一流量下水深随着堰高的增加而增加,水面波动程度受堰高的影响较小。2.2壅水高度在渠道上修建侧堰,会引起渠道上游水位壅高,造成一定范围内的淹没。设定渠道通过一定流量时,放置矩形侧堰前后渠道上游水深差为侧堰在该流量下的壅水高度7。为了使灌溉水流不因为
17、侧堰的设置而溢出渠道,造成水源的浪费,需要对壅水高度进行分析。本试验对矩形侧堰在不同堰高、不同流量下的壅水高度进行计算,如图6所示。由图6可知,当流量一定时,壅水高度随着堰高的增大而增大。在同一堰高下,当堰高为7.05 cm和10.25 cm时,在流量小于28.44 L/s时,壅水高度随着流量的增加而减小,在流量大于28.44 L/s时,壅水高度随流量的增加而增加;当堰高在13.1520.35 cm时,壅水高度整体上随流量的增大而减小,在流量大于28.44 L/s时,减小幅度较小,说明此时流量对壅水高度的影响较小。本试验条件下,不同堰高的矩形侧堰在不同流量下的壅水高度均在17 cm以内,最大壅
18、水高度为16.14 cm。2.3水头损失由于液体具有黏滞性,所以在流动过程中会为了克服各液层之间的摩擦阻力而做功,引起其机械能的损失,即水头损失13。量水设施在进行量水时都会产生一定的水头损失,进而导致灌溉效率降低,增加工程成本14,因此研究量水设施时需对水头损失进行分析。水头损失根据液流边界的形状大小沿程变化与否和主流是否脱离边壁或形成旋涡分为沿程水头损失和局部水头损失13。对于本试验,水流顺主渠道流动,沿程形状大小不变,流经侧堰时产生分流,在主渠道侧堰下游产生漩涡,液层之间的摩擦和水质点间的碰撞加剧,进而产生水头损失。因此在侧堰流中的沿程水头损失与局部水头损失相比较小,可忽略不计15,16
19、。在水头损失计算中,本试验选取的控制断面为主渠道中侧堰的上游端断面和侧渠道中的下游断面,基准面为渠道底部所在的水平面。基于不同流量下各矩形侧堰试验数据计算水头损失,进而得到水头损失占上游总水头的百分比与流量之间的关系,如图7所示。由图7可知,相同流量下,水头损失百分比随堰高的增加而增加;同一堰高下,水头损失百分比随流量的增大而减小。当堰高为 7.05、10.25、13.15、15.15、17.05 和图5Q=28.44 L/s时不同堰高下主渠道侧水面线Fig.5Flow profiles in main channel of side weir with discharge 28.44 L/s
20、 under different side weir heights图4h=7.05 cm时不同流量下主渠道侧水面线Fig.4Flow profiles in main channel of side weir with height 7.05 cm under different discharges图6不同堰高下壅水高度随流量的变化Fig.6Variation of percentage of backwater height with discharges under different side weir heights图3Q=15.61 L/s,h=7.05 cm时主渠道侧堰附近水面
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 矩形 渠道 水力 特性 试验 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。