仿機(jī)翼形便攜式量水槽水力特性試驗(yàn)與數(shù)值模擬

賀夢(mèng)楊，尚海鑫，張寬地,2※，凌 鵬

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

0 引 言

灌區(qū)量水技術(shù)是實(shí)行計(jì)劃用水的關(guān)鍵技術(shù)措施，對(duì)于現(xiàn)有量水設(shè)施來(lái)說(shuō)，量水槽是灌區(qū)量水中較易使用、較易推廣的一種明渠量水設(shè)施[1]。對(duì)量水槽的研究，文丘里于18世紀(jì)首先觀測(cè)到水流通過(guò)局部收縮的管道時(shí)水流流速會(huì)增大，壓強(qiáng)會(huì)降低，且研究了流量與壓差的關(guān)系，提出了著名的文丘里流量計(jì)。Cone[2]首次提出文丘里量水槽，基于臨界流的原理，通過(guò)測(cè)量水流流經(jīng)不同幾何形狀收縮斷面并產(chǎn)生臨界流時(shí)的水深來(lái)計(jì)算流量。Parshall[3]改進(jìn)文丘里槽，將其命名為巴歇爾量水槽，給出了含有水深的流量計(jì)算公式。Skogerboe等[4]進(jìn)一步研究了巴歇爾量水槽在不同工況下的水力特性。巴歇爾量水槽在淹沒(méi)度大于0.95的工況下，測(cè)流精度會(huì)有明顯的降低[5-7]，而且在實(shí)際工程應(yīng)用中會(huì)有造價(jià)高等不利因素[8-9]出現(xiàn)。

從經(jīng)濟(jì)實(shí)用等角度考慮，傳統(tǒng)的側(cè)壁收縮式量水槽在小截面渠道中應(yīng)用受限，Hager[10]在常用的3種渠道形式中，首次提出了便攜式裝置的概念，渠道中心放置易于調(diào)節(jié)位置的圓柱體替代側(cè)壁收縮的形式，以收縮渠道寬度。Hager[11]重新考慮了圓柱體放置在渠道中的情況，并提出了采用上游能量值的測(cè)流方法。Samani等[12-13]研究表明，利用收縮斷面來(lái)獲得臨界流水深是最簡(jiǎn)單的測(cè)流方法，這一方法可以形成短喉道的量水槽而且不再需要過(guò)長(zhǎng)的入流和出流段，得到了誤差為5%的測(cè)流公式。Badar[14]利用Samani等[13]的數(shù)據(jù)，改進(jìn)試驗(yàn)方法后將測(cè)流誤差降低到了4.7%。

隨著計(jì)算流體力學(xué)在量水槽研究中的廣泛應(yīng)用，Wright等[15]首次利用數(shù)值模擬的方法分析了巴歇爾量水槽中不同流體性質(zhì)對(duì)水深流量關(guān)系式的影響。肖苡辀[16]基于FLOW-3D進(jìn)行了田間便攜式短喉槽的研究，總結(jié)其在末級(jí)渠道測(cè)流適用性。Kolavani等[17-18]研究了中央折流板水槽不同幾何參數(shù)的影響，并提出了一種顯式的階段-流量關(guān)系。Hager[19]研究了臨界流條件下圓錐浸入矩形渠道的過(guò)流情況，Kapoor等[20]在此基礎(chǔ)上，在矩形水槽中提出了圓錐形便攜式水槽測(cè)流裝置，可作為小型矩形明渠臨時(shí)測(cè)流裝置。Samani[21]提出3種標(biāo)準(zhǔn)渠道下的便攜式量水槽，無(wú)論水槽或過(guò)流尺寸如何，都可以使用已校準(zhǔn)的方程式進(jìn)行測(cè)流，并且通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。Ghare等[22-23]提出具有可移動(dòng)，易安裝等優(yōu)點(diǎn)的圓柱形量水槽，提出了最大測(cè)流誤差為5%的測(cè)流公式，可以作為臨時(shí)測(cè)流的移動(dòng)裝置。

現(xiàn)有的由文丘里流量計(jì)原理設(shè)計(jì)所得的明渠測(cè)流裝置，安裝維護(hù)都需要相當(dāng)高的費(fèi)用，且為固定裝置，通常需要預(yù)制水槽。傳統(tǒng)的固定式量水槽是為了準(zhǔn)確測(cè)量大斷面渠道（干渠或主要支渠）流量，目前對(duì)于這類(lèi)渠道的流量測(cè)量比較精準(zhǔn)[24]，但是對(duì)于小截面的渠道（散戶(hù)田間地頭用水）來(lái)說(shuō)并不具有成本效益。呂宏興等[25]根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空咨詢(xún)委員會(huì)（National Aviation Advisory Committee，NACA）發(fā)布的機(jī)翼形厚度的參數(shù)表達(dá)式，結(jié)合小阻力曲線(xiàn)量水技術(shù)，提出了機(jī)翼形量水槽。為解決機(jī)翼形量水槽施工和制圖過(guò)程較復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)探索新的量水裝置設(shè)計(jì)思路，本文在機(jī)翼形量水槽的研究基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了機(jī)翼形復(fù)雜的曲線(xiàn)方程，得到雙弧形結(jié)合的曲線(xiàn)型量水設(shè)備，并設(shè)計(jì)仿機(jī)翼形便攜式量水裝置，通過(guò)在矩形水槽中進(jìn)行水工模型試驗(yàn)，結(jié)合FLOW-3D數(shù)值模擬結(jié)果建立測(cè)流公式并對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。該研究可為改進(jìn)量水方法、提高用水效率提供設(shè)計(jì)參考，對(duì)促進(jìn)中國(guó)灌區(qū)小截面便攜式量水槽的推廣具有實(shí)用價(jià)值。

1 仿機(jī)翼形便攜式量水槽

1.1 簡(jiǎn)化過(guò)程

機(jī)翼形量水槽是由呂宏興等[25]根據(jù)文丘里量水槽研究出的一種量水槽。其機(jī)翼形曲線(xiàn)多項(xiàng)式方程為

式中P為翼高，m；C為翼長(zhǎng)，m；x為橫坐標(biāo)值；y為縱坐標(biāo)值。

翼高和翼長(zhǎng)是機(jī)翼形曲線(xiàn)變化的主要控制參數(shù)，在對(duì)機(jī)翼形的簡(jiǎn)化過(guò)程中，保持原有翼長(zhǎng)C和翼高P不變，喉口位置保持在0.3C處。為滿(mǎn)足原有機(jī)翼形光滑連接要求，并且使y值誤差較小，選用橢圓弧和圓弧的連接方式，即喉口斷面上游用1/4橢圓弧代替，下游用一段相切的圓弧代替。圖1a為現(xiàn)有機(jī)翼形和簡(jiǎn)化后的對(duì)比，實(shí)線(xiàn)為機(jī)翼形，虛線(xiàn)為簡(jiǎn)化后所得仿機(jī)翼形，圖 1b為收縮比0.5、翼高15 cm、翼長(zhǎng)70 cm的模型簡(jiǎn)化圖。

仿機(jī)翼形量水槽上游1/4橢圓方程和下游圓弧半徑R（m）分別為

1.2 簡(jiǎn)化后量水槽結(jié)構(gòu)

仿機(jī)翼形量水槽合并后中軸線(xiàn)與矩形水槽中軸線(xiàn)重合（圖2），稱(chēng)為仿機(jī)翼形便攜式量水槽。合并體形寬度最大寬度B為

2 水工模型試驗(yàn)

2.1 模型試驗(yàn)布設(shè)概況及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)于西北農(nóng)林科技大學(xué)水工水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)渠道長(zhǎng)17 m，寬70 cm，高100 cm，平坡，斷面形狀為矩形（圖3）。根據(jù)試驗(yàn)渠道和長(zhǎng)度和寬度，為保證足夠的過(guò)水寬度和平穩(wěn)的水位測(cè)點(diǎn)，選擇翼長(zhǎng)為70 cm、6組不同收縮比的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ū?），模型材料為木制空心，外部包裹有不透水鐵皮。根據(jù)中國(guó)農(nóng)田常用灌溉流量范圍10～50 L/s，每組模型設(shè)置7組不同的流量，分別為15.3、19.4、25.0、30.6、35.1、41.7和47.2 L/s，共設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案42種。采用SCM60型水位測(cè)針測(cè)量其對(duì)應(yīng)的上游測(cè)點(diǎn)水深（距上游進(jìn)水口5 m）、喉口水深（距上游進(jìn)水口10 m）和下游水深（距上游進(jìn)水口15 m）。5和15 m測(cè)點(diǎn)處測(cè)量左中右三點(diǎn)水深并取平均值，其中5 m測(cè)點(diǎn)處結(jié)合相同測(cè)點(diǎn)水深計(jì)算佛汝德數(shù)；10 m測(cè)點(diǎn)處分為兩個(gè)流道，分別測(cè)量各流道左中右水深并取平均值，根據(jù)流速和上游測(cè)點(diǎn)處水深，計(jì)算上游佛汝德數(shù)。

式中v為量水槽上游流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；H為上游測(cè)點(diǎn)水深，m。試驗(yàn)所取收縮比及對(duì)應(yīng)量水設(shè)備寬度見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)表Table 1 Parameter table of test models

2.2 水工模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 上游佛汝德數(shù)

在明渠測(cè)流中，佛汝德數(shù)是一個(gè)重要的無(wú)量綱數(shù)，保證測(cè)流精度的重要條件。上游佛汝德數(shù)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致水面波動(dòng)較大，給水深的測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，所有工況下佛汝德數(shù)均小于0.5，滿(mǎn)足測(cè)流規(guī)范要求[26]?？傮w上，佛汝德數(shù)隨著收縮比的增大而增大，并且隨著流量的增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì)（圖4）。當(dāng)流量達(dá)到25～30 L/s時(shí)，佛汝德數(shù)達(dá)到極大值。因此量水槽適宜收縮應(yīng)該小于0.709，以保證滿(mǎn)足測(cè)流精度和渠道安全的要求。依據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，收縮比在不小于0.537的條件下，上游佛汝德數(shù)均可以滿(mǎn)足測(cè)流規(guī)范。

2.2.2 壅水高度

水流從上游流入量水槽，由于量水槽束窄渠道，流速迅速增大，水位隨之降低。水流經(jīng)過(guò)量水槽后渠道變寬，流速下降，水位升高，水流匯集形成水躍。在這個(gè)過(guò)程中，上游的水位由于一定的阻水作用會(huì)有所升高，即壅水高度Hy（m），指在水流流態(tài)穩(wěn)定后上游水深H（m）與下游水深h（m）的差值

結(jié)果表明，仿機(jī)翼形量水槽的上游壅水高度最大值為6.32 cm，最小值0.46 cm，平均值3.25 cm，該量水槽的上游壅水高度比較?。▓D5）?？傮w上，壅水高度隨著流量的增大而增大，隨收縮比增大而減小。根據(jù)連續(xù)性方程，渠道內(nèi)流速增大，量水槽上游的阻水作用會(huì)引起動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，導(dǎo)致水流勢(shì)能增加，水深增加，上游壅水高度增大；收縮比越小，過(guò)流斷面面積越小，對(duì)量水槽上游的抬升作用就越強(qiáng)，上游壅水高度越大。本次水工模型試驗(yàn)所有工況條件下，壅水高度均小于7 cm。雙流道輸水壅水高度略大于單流道壅水高度，為滿(mǎn)足渠道上游安全需求，盡量減小壅水高度，適宜收縮比范圍為0.606～0.709，收縮比0.606條件下的平均測(cè)流誤差為6.95%，收縮比0.709條件下的平均測(cè)流誤差為4.91%。此收縮比范圍條件下，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)壅水高度小于5 cm。

3 仿機(jī)翼形便攜式量水槽水力特性數(shù)值模擬研究

本研究采用數(shù)值模擬方法，基于FLOW-3D進(jìn)行仿機(jī)翼形量水槽研究，首先將數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)中的上游和喉口水深進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性后，進(jìn)一步分析水工模型試驗(yàn)中較難得到的水力學(xué)參數(shù)，減少試驗(yàn)的時(shí)間和成本。水工模型試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6組收縮比、1組翼長(zhǎng)、7組流量工況條件下的仿機(jī)翼形量水槽。在重復(fù)水工試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?2種工況后，數(shù)值模擬增加2組收縮比（0.550、0.630）、3組翼長(zhǎng)（65、75、80 cm）的數(shù)值模擬模型，并選取與水工模型試驗(yàn)相同的7組流量。

3.1 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)的量水槽具體尺寸，利用AutoCAD分別建立不同收縮比的量水槽三維數(shù)值物理模型。模型進(jìn)水口的右下角放置于坐標(biāo)原點(diǎn)。X軸正方向?yàn)樗鞯牧飨?，Y軸正方向指向渠道左壁，重力加速度反方向?yàn)閆軸正方向。由于水工模型試驗(yàn)中水深均不超過(guò)30 cm，為提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和效率，將矩形水槽高度由100降低至30 cm，以減少固定網(wǎng)格數(shù)。其余各選項(xiàng)設(shè)置均為默認(rèn)。

3.2 網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設(shè)定

FLOW-3D中采用FAVOR技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用六面體網(wǎng)格，覆蓋全部模型的網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為2 cm；總網(wǎng)格數(shù)量為315 760個(gè)。設(shè)置上游進(jìn)口流量進(jìn)口邊界，不設(shè)定液面高度和內(nèi)容填充，默認(rèn)水流沿與邊界垂直方向流入且整個(gè)邊界充滿(mǎn)流體；下游出口設(shè)置為自由出流邊界；渠道底部以及側(cè)壁均選擇墻邊界；渠道頂部設(shè)定為對(duì)稱(chēng)邊界，即無(wú)液體穿過(guò)該邊界。除此之外不做任何設(shè)置。

3.3 計(jì)算模型選取及數(shù)值求解

選取重力模型和湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬求解計(jì)算。其中，重力模型中只對(duì)重力進(jìn)行設(shè)置，在Z方向上設(shè)置其為-9.81 m/s2；采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，各項(xiàng)參數(shù)默認(rèn)。默認(rèn)使用有限差分法將模擬控制方程處理為代數(shù)方程組后求解計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)默認(rèn)即采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)默認(rèn)即采用二階中心差分格式離散，迭代的最小步長(zhǎng)值設(shè)為10-6s，數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)間間隔為2 s。采用TruVOF方法[27]加速對(duì)模型自由表面的處理，大大減少計(jì)算模型時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間，也保證了計(jì)算精度。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證

在水工模型試驗(yàn)中測(cè)量渠道上游和喉口處測(cè)點(diǎn)水位，將其與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，以得到本次數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。上游測(cè)點(diǎn)處水深實(shí)測(cè)值與模擬值的誤差均能控制在4.50%以?xún)?nèi)，最大值為4.48%，最小值為0.29%，均值為1.56%；喉口測(cè)點(diǎn)處水深實(shí)測(cè)值與模擬值的誤差均能控制在5.50%以?xún)?nèi)，最大值為5.10%，最小值為0，均值為2.26%。對(duì)比結(jié)果證明了FLOW-3D在計(jì)算上的準(zhǔn)確性，具體如表2所示。

表2 上游、喉口測(cè)點(diǎn)處水深對(duì)比Table 2 Comparison of water depths at upstream and throat measuring points

3.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.5.1 佛汝德數(shù)

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，對(duì)矩形渠道整體區(qū)域的佛汝德數(shù)進(jìn)行分析。明渠量水槽的槽前佛汝德數(shù)應(yīng)小于0.5，以保證上游水流流速不會(huì)過(guò)大導(dǎo)致形成駐波。在模型試驗(yàn)中，驗(yàn)證了所有試驗(yàn)工況下上游水深測(cè)點(diǎn)處的佛汝德數(shù)，均滿(mǎn)足測(cè)流規(guī)范。在水流穩(wěn)定的情況下，流量為30.6 L/s、收縮比為0.571工況下的沿程佛汝德數(shù)見(jiàn)圖 6。從水流的流態(tài)方面考慮，水流在進(jìn)入量水槽前均屬于緩流，在量水槽入口處渠道變窄，水流流速增大且水深減小，佛汝德數(shù)開(kāi)始增大；在喉口段附近，水流為臨界流，佛汝德數(shù)等于1；水流經(jīng)過(guò)束窄段后仍在加速，水深繼續(xù)降低，水流流態(tài)為急流；發(fā)生水躍后，由于水流質(zhì)點(diǎn)相互沖擊消能，流速減緩，水深增加，水流重新變?yōu)榫徚?，佛汝德?shù)小于1。

3.5.2 流速分布

仿機(jī)翼形量水槽的上游水流穩(wěn)定，流速變化較小。主要研究收縮斷面及其下游的沿程流速變，分析流量30.6 L/s，收縮比0.571的工況，得出沿程流速分布情況（圖7）。水流從量水槽上游接近量水槽入口時(shí)，由于渠道過(guò)流面積減小，水流流速增大；喉口段，水流繼續(xù)加速，但是由于兩側(cè)水流受邊壁束窄影響較大，在同樣長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，兩側(cè)水流流過(guò)更長(zhǎng)的距離，因此兩側(cè)水流流速大于中部水流；到達(dá)水躍附近斷面，水流加速，在仿機(jī)翼形尾部，發(fā)生水躍處（部分工況）流速達(dá)到最大值，但是由于已經(jīng)處于量水槽下游擴(kuò)散段，兩側(cè)的水流因?yàn)閰R聚的相互碰撞，流速開(kāi)始減緩；量水槽下游，過(guò)槽水流繼續(xù)擴(kuò)散，兩側(cè)水流與中部水流流速均減緩，水流有繼續(xù)向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，受到渠道邊壁阻擋，水流重新向中部交匯，水流總體逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

3.5.3 流線(xiàn)分布

流線(xiàn)分布可以直觀地反映出流場(chǎng)中水流的流動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)合流速分布可以得到水流流態(tài)的變化情況。設(shè)置與流速分布計(jì)算時(shí)相同的工況，繪制出水流的流線(xiàn)（圖 8）。量水槽上游，流線(xiàn)順直，相互平行，且流速較低；量水槽入口段，由于渠道的束窄作用，流線(xiàn)沿量水槽邊壁開(kāi)始向內(nèi)彎曲，越靠近渠道側(cè)壁彎曲越明顯；水流進(jìn)入兩側(cè)束窄段后，流速增大，在量水槽末端流速達(dá)到最大值1.13 m/s；進(jìn)入下游擴(kuò)散段，兩側(cè)水流流線(xiàn)沿量水槽邊壁向渠道中軸線(xiàn)匯聚，流速減小，水槽中部水流在左右水流匯集和水躍的影響下，流線(xiàn)交錯(cuò)混亂，流速為最小值0.05 m/s；在量水槽出口處，兩側(cè)水流繼續(xù)向中間匯聚，流線(xiàn)向中部彎曲，中部水流流線(xiàn)與兩側(cè)水流流線(xiàn)相互交匯，中部水流流速增大，流線(xiàn)回歸平穩(wěn)。

3.6 測(cè)流公式的建立及誤差分析

本研究矩形渠道中有2個(gè)對(duì)稱(chēng)的流道，與機(jī)翼形量水槽單流道過(guò)水方式不同。機(jī)翼形量水槽的測(cè)流公式推導(dǎo)過(guò)程中，涉及到的參數(shù)均與過(guò)水流道數(shù)量無(wú)關(guān)，變量為過(guò)水橫截面寬度，可以采用雙流道過(guò)水橫截面的最小寬度之和代替原公式中單流道過(guò)水寬度。采用呂宏興等[25]在機(jī)翼形量水槽量綱和諧的測(cè)流公式（7），計(jì)算本研究所得水深與流量關(guān)系：

式中Q為流量，m3/s；Bc為最小過(guò)流寬度，m；H為上游水深，m；a、n為常數(shù)，通過(guò)水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得數(shù)據(jù)分析確定。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中有[18]式中Hk為過(guò)水截面最小寬度處水深即臨界水深，m，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，采用水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬所得到的共84種工況下獲得的上游水深和臨界水深擬合分析獲取公式，繪制出其對(duì)數(shù)線(xiàn)性關(guān)系，在常規(guī)坐標(biāo)系中進(jìn)行線(xiàn)性擬合，即可獲得n和a的值。

不同翼長(zhǎng)、不同收縮比和不同流量工況下所有數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)非常好的線(xiàn)性關(guān)系（圖9），擬合得到n=0.928 2，a=0.516 4。

將上述結(jié)果代入式（8）中，得到矩形渠道仿機(jī)翼形便攜式量水槽測(cè)流公式為

將水工模型試驗(yàn)測(cè)得42組上游水深代入式（9）中，所得計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量平均相對(duì)誤差為6.34%（表3），滿(mǎn)足中國(guó)農(nóng)田灌區(qū)測(cè)流精度的要求。

表3 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量誤差Table 3 Measured flow and calculated flow error

4 討 論

機(jī)翼形量水槽相比于其他量水設(shè)備具有水頭損失小、渠道阻水小、流量計(jì)算公式簡(jiǎn)單、壅水高度小等優(yōu)點(diǎn)。本研究對(duì)固定式機(jī)翼形量水槽簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)后，得到仿機(jī)翼形便攜式量水槽。便攜式量水設(shè)備主要適用于末級(jí)灌區(qū)德小型渠道。通過(guò)分析水工模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)化并沒(méi)有改變?cè)瓩C(jī)翼形的固有優(yōu)點(diǎn)，而且施工簡(jiǎn)單，測(cè)流精度高。Di Stefano等[28]在Samani等[12-13]工作的基礎(chǔ)上得到矩形渠道圓柱形量水槽測(cè)流公式，其中流量Q是H與Bc的函數(shù)，與本研究所得測(cè)流公式形式一致，測(cè)流誤差也略高于仿機(jī)翼形量水槽。該研究測(cè)流公式是由喉口水深和上游水深擬合得到的，水工模型試驗(yàn)中雙流道水深測(cè)量共6次，由于模型制作不規(guī)則和與渠道中軸線(xiàn)未完美重合等原因，導(dǎo)致雙流道喉口水深測(cè)量出現(xiàn)了誤差，導(dǎo)致部分工況下的測(cè)流誤差較大。本文分析了仿機(jī)翼形量水槽壅水高度等特點(diǎn)，分析了其泥沙不易淤積的水力特性，但是并未進(jìn)行含沙水流試驗(yàn)，研究方法還有待改進(jìn)。該研究采用Flow-3D軟件，RNGk-ε三維湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，相較于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率以及流向彎曲程度較大的流動(dòng)。TruVOF方法較傳統(tǒng)的VOF方法提高了收斂效率，對(duì)自由液面的描述也更加精確。網(wǎng)格劃分所采用的FAVOR技術(shù)，可以用較少的網(wǎng)格處理不平整的區(qū)域，在保證運(yùn)算精度的前提下盡量少地占用資源。從沿程佛汝德數(shù)、水流流線(xiàn)等水力性能細(xì)節(jié)分析，數(shù)值模擬方法相較于傳統(tǒng)的水工模型試驗(yàn)更有優(yōu)勢(shì)，為解決灌區(qū)量水問(wèn)題提供了更高的精度和效率，也可為量水槽體型優(yōu)化和簡(jiǎn)化提供便利。

5 結(jié) 論

依據(jù)現(xiàn)有量水槽研究的實(shí)際情況，本研究采用水工模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法完整的研究了仿機(jī)翼形量水槽的水力特性，主要研究結(jié)果如下：

1）仿機(jī)翼形量水槽有較大的自由出流范圍，測(cè)流靈活性強(qiáng)。仿機(jī)翼形量水槽的槽前壅水高度最大值6.32 cm，最小值0.46 cm，均值3.25 cm。壅水高度較小，有利于減小渠道施工挖方量和渠道材料用量。量水槽計(jì)算所得佛汝德數(shù)均小于0.5，滿(mǎn)足測(cè)流規(guī)范要求。

2）利用FLOW-3D軟件增加了3組量水槽翼長(zhǎng)、2組收縮比的矩形渠道仿機(jī)翼形便攜式量水槽數(shù)值模擬。結(jié)合機(jī)翼形量水槽的測(cè)流公式，擬合獲得其各參數(shù)值，得到仿機(jī)翼形量水槽水位流量公式。所得仿機(jī)翼形量水槽測(cè)流公式精度高，平均測(cè)流誤差為6.34%。

3）本次研究仿機(jī)翼形便攜式量水槽工況流量范圍為15.3～47.2 L/s。壅水高度和佛汝德數(shù)等水力參數(shù)限制下，建議選擇收縮比范圍0.606～0.709，收縮比0.606條件下測(cè)流平均誤差為6.95%，收縮比0.709條件下平均測(cè)流誤差4.91%。本次研究翼長(zhǎng)范圍為65～80 cm，均滿(mǎn)足灌區(qū)量水要求，實(shí)際工程中渠道寬度為70 cm時(shí)，建議翼長(zhǎng)范圍65～80 cm。