平板閘孔自由出流流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

毛 潭，李繼棟，史喆瓊，呂壘平

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

平板閘孔自由出流流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

毛 潭，李繼棟，史喆瓊，呂壘平

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

搭建了一個(gè)水力學(xué)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)平板閘孔自由出流流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，計(jì)算得到了自由出流流量系數(shù)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)公式的計(jì)算值進(jìn)行比較，為工程應(yīng)用中經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式的選擇提供了實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法，為流量計(jì)算提供了一種新的參考。

平板閘門；自由出流；流量系數(shù)；實(shí)驗(yàn)

我國(guó)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(guó)建立了很多的輸水系統(tǒng)，相應(yīng)的管理部門對(duì)水的利用按量計(jì)費(fèi)。因此，在不少的灌區(qū)渠道上，建有專門的量水設(shè)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(duì)閘門出流流量的水力學(xué)計(jì)算研究越來越多[2-5]。對(duì)于平板閘門,一般認(rèn)為當(dāng)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(shí)為閘孔出流[6], 當(dāng)e/H>0.65時(shí)為堰流。本文主要就平板閘門的閘孔出流形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)明、實(shí)用、精度較高的水力學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 對(duì)閘孔自由出流的流量系數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

按弗勞德準(zhǔn)則[8]設(shè)計(jì)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(cè)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(dòng)閥門；4.導(dǎo)水管；5.穩(wěn)壓池；6.手動(dòng)閘門；7.水渠；8.手動(dòng)閘門；9.回水槽

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)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(dòng)閥門3用來調(diào)節(jié)出水量，通過導(dǎo)水管4進(jìn)入穩(wěn)壓池5中，調(diào)節(jié)必要的手動(dòng)閘門6和8；然后，水流進(jìn)入一個(gè)長(zhǎng)164.5cm，寬7.4cm,深8.7cm的平底水槽7中；最后，流入長(zhǎng)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(yuǎn)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(duì)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(jì)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(jì)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(yàn)，人們提出了多種不同的流量系數(shù)計(jì)算公式，而使用最頻繁的主要有三種經(jīng)驗(yàn)公式。

第一種為直線式的經(jīng)驗(yàn)公式[11]:

μ0=0.6-0.18e/H(3)

有文獻(xiàn)做了模型試驗(yàn)，對(duì)式(3)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了更準(zhǔn)確、實(shí)用的表達(dá)式[12]：

μ0=0.598-0.190e/H(4)

第二種為曲線式的經(jīng)驗(yàn)公式[13]：

還有文獻(xiàn)給出了第三種經(jīng)驗(yàn)公式[14]：

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)研究方法：首先，使用圖1的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，撤去手動(dòng)閘門8，調(diào)節(jié)手動(dòng)閘門6，給定一個(gè)開度e，調(diào)節(jié)手動(dòng)閥門3，待水流穩(wěn)定后，測(cè)量閘前水位H，通過記錄時(shí)間t和時(shí)間t內(nèi)通過的水的體積來計(jì)算流量；然后，依次改變閘門開度e，記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再使用式(4)～式(6)計(jì)算流量；最后，與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行比較，見表1。

表1 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量比較

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)得出的e/H，μ0

圖3 式(4)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖4 式(5)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

圖5 式(6)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系圖

從表1可以看出，式(6)的計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量最為接近。通過3個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系圖可以看出，通過不同開度和閘門高度的模型實(shí)驗(yàn)，式(6)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為相近。因此，建議工程應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jì)算提出一種新的參考，并且在面向灌區(qū)調(diào)水工程的遠(yuǎn)程自動(dòng)計(jì)量閘門設(shè)計(jì)[15]中得到了應(yīng)用。

[1]中華人民共和國(guó)水利部．中國(guó)水資源公報(bào)[EB/OL].[2014-08-20].http://www.mwr.gov.cn.

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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(qiáng)教計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(PHR2011 08053)；山西省水利科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(JSKY201007001)。

毛 潭(1982-)，男，碩士，講師，主要從事數(shù)字化制造工藝設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究工作。

TV

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.003