【摘要】：灌區(qū)量水是灌區(qū)實(shí)現(xiàn)科學(xué)水量調(diào)配、節(jié)約用水、定額管理的重要前提和基礎(chǔ),對(duì)量水技術(shù)的推廣實(shí)施十分重要。田間灌溉的水量及時(shí)間與作物需水量準(zhǔn)確配合時(shí),可以達(dá)到節(jié)水高效生產(chǎn)的目標(biāo),在作物需水量方面已進(jìn)行了大量科研工作,取得了豐富的成果。但目前對(duì)于量水技術(shù)的研究大多針對(duì)于規(guī)格渠道,很難適用于田間的地面情況與流量范圍,難以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入灌水溝中的小流量計(jì)量,無(wú)法精確判斷作物需水量與實(shí)際灌溉用水量之間的關(guān)系。因此,針對(duì)中國(guó)北方灌區(qū)應(yīng)用最為廣泛的田間灌溉方式溝灌、畦灌,提出一種適用性強(qiáng)且成本低廉的新型量水設(shè)備來(lái)滿足其量水需求尤為重要。本研究提出的小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽外輪廓為貼近灌水溝形式的梯形斷面,喉道斷面為三角形,適用于田間灌溉小流量下的精確量水。通過(guò)量水槽原型過(guò)流試驗(yàn)及數(shù)值模擬的研究方式,探究小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽在不同運(yùn)行工況、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的水動(dòng)力特性。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論:(1)在已有量水槽研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合北方灌區(qū)田間灌水溝的形式尺寸與流量范圍,針對(duì)不同的運(yùn)行工況,設(shè)計(jì)了兩種體型參數(shù)的小流量土渠簡(jiǎn)易小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽。由臨界流原理及能量守恒推導(dǎo)得出了小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽流量公式形式。(2)在1/10000的底坡下進(jìn)行了小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量的原型過(guò)流試驗(yàn),分析了不同流量和出流條件下的水面線、傅汝德數(shù)、斷面比能的沿程變化規(guī)律;確定了臨界水深斷面產(chǎn)生的具體位置在喉道段中的位置,進(jìn)而得出了量水槽喉道長(zhǎng)度的建議優(yōu)化值;擬合得出自由出流和淹沒(méi)出流狀態(tài)下的水深流量公式,計(jì)算流量與實(shí)際流量比較,平均誤差和最大誤差均在5%之內(nèi);量水槽1、2的臨界淹沒(méi)度數(shù)值穩(wěn)定分布在0.80~0.86之間,隨流量變化小。(3)采用基于Flow-3D的計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽的內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算,試驗(yàn)水深值與模擬值的最大相對(duì)誤差均小于10%,二者水面線變化規(guī)律吻合,模擬結(jié)果精度較高。依靠數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)深入分析了量水槽內(nèi)部流場(chǎng),得到縱向、橫向時(shí)均流速以及紊動(dòng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。(4)通過(guò)1/500~1/10000范圍內(nèi)5種底坡的原型試驗(yàn),探究底坡變化對(duì)小流量土渠簡(jiǎn)易長(zhǎng)喉道量水槽水力特性的影響,不同底坡下量水槽內(nèi)沿程水面線總體上比較接近,底坡的變化對(duì)喉道控制段水深的影響整體較小,通過(guò)各底坡下斷面5處的水深流量關(guān)系,得到底坡在1/500~1/10000范圍內(nèi)的通用測(cè)流公式,且具有較高的測(cè)流精度。采用數(shù)值模擬的方式增加設(shè)計(jì)了三種側(cè)壁邊坡系數(shù)的量水槽,進(jìn)一步探究側(cè)壁的傾斜度對(duì)量水槽水力特性的影響,得到各量水槽的流量適用范圍和地面情況,并分析了底坡變化對(duì)水面線、縱向流速的影響;通過(guò)計(jì)算臨界水深產(chǎn)生的位置針對(duì)各量水槽得出喉道段長(zhǎng)度的優(yōu)化建議。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV135.3;S274.4
【圖文】：

渠道類型和測(cè)流工況下的研究使量水槽在近些年得以不斷改進(jìn)和發(fā)喉道量水槽研究指出長(zhǎng)喉道量水槽是在 1888 年 Bazin 的寬頂堰試驗(yàn)基礎(chǔ)上演變喉槽與寬頂堰同屬一類水力特性結(jié)構(gòu)（沈波等 2003）。Ackers、H36 年結(jié)合邊界層理論，提出了梯形斷面長(zhǎng)喉道量水槽的常規(guī)設(shè)計(jì)方到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織認(rèn)可（Ackers, P 等 1978），Reploge 后引入流速的計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)方法，適用于不同形狀的控制斷面和渠道類型，提高（Replogle, J.A 等 1987）。之后 Bos（1981）、Clemmers（198槽進(jìn)行了更進(jìn)一步的探究，完善了其在淹沒(méi)度、水頭損失、流速系究（Clemmens, A. J 等 1984）。進(jìn)入二十世紀(jì)，國(guó)內(nèi)孫秋菊等人基了長(zhǎng)喉槽的軟件程序，集工況計(jì)算、體型設(shè)計(jì)、繪制出圖于一體，況下的長(zhǎng)喉槽設(shè)計(jì)（孫秋菊等 2000）；王長(zhǎng)德等人對(duì)長(zhǎng)喉槽水頭損了優(yōu)化研究。近些年，依靠信息化設(shè)備及傳感技術(shù)的快速發(fā)展，吉插式長(zhǎng)喉槽測(cè)流計(jì)，得到過(guò)流水力參數(shù)的數(shù)字化顯示并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳03）。發(fā)展到目前長(zhǎng)喉槽的研究成果十分豐富，理論分析及體型結(jié)構(gòu)研

地面情況下采用長(zhǎng)喉槽的形式來(lái)設(shè)計(jì)量水槽無(wú)疑是最為合適的量水槽水槽較長(zhǎng)喉槽比喉道段長(zhǎng)度大為縮減，同樣由上游收縮漸變段散銜接段三個(gè)主要部分組成，如圖 1-2（Parshall, R. L1928）�？s減，過(guò)槽水流水面線的變化曲率較大，不會(huì)在喉道段內(nèi)形成，且相對(duì)容易受到下游水深的影響，臨界淹沒(méi)度較長(zhǎng)喉道量水度上會(huì)影響測(cè)流精度。Parshall 槽作為最典型的短喉槽（Par Singh 等 2014）研究十分成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域的水量收縮與豎直向收縮，標(biāo)準(zhǔn)化程度高適應(yīng)多種測(cè)量要求，但是其本較高。近年來(lái)由于自身結(jié)構(gòu)上的一些缺陷，以及更加優(yōu)良的，Parshall 槽的應(yīng)用程度受到一定限制。肖苡弨等在傳統(tǒng) Parsh良，提出可移動(dòng)攜帶的短喉道槽來(lái)用于田間進(jìn)水口處的量水，，針對(duì)性地改進(jìn)了體型參數(shù)，水力性能良好滿足田間末級(jí)量水）。

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