基于CFD的自动计量平板闸门流动特性研究

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我国农业水利用效率不及发达国家的一半,计量灌溉是我国渠灌区农业发展的趋势,其关键是开发具有自动计量功能的平板闸门系统。水位、流速、压力是影响闸门计量精度的主要因素,研究明渠平板闸门闸前和闸后水位、流速和压力的分布及变化规律,对合理选择计量闸门传感器安装位置、完善闸门前后明渠结构,从而提高闸门系统计量精度,具有重要的理论指导意义。本文针对现行闸门采用的角钢框式和槽铝框式两种安装方式,应用Fluent软件对明渠闸孔出流的流动进行仿真模拟。角钢框式安装时,根据不同的水流和开度条件,设计了35种工况。采用基于压力的求解器求解离散化的控制方程,利用标准k-ε模型处理湍流问题、利用VOF方法处理自由液面的问题,得到了水面线分布、速度和压力分布。结果表明:闸门前后流场的稳定区间分别为闸前1.5m-2m、闸后6.4m-7m;当闸门开度为0.3m、0.4m、0.5m时,‘流动容易达到稳定;当闸前初始水位高于0.8m时,应避免开度小于0.3m,使出流充分,以保证安全作业。为降低下游流速、提高流场的稳定性,对明渠结构进行改进,将明渠收缩段的长度缩短至1.01m,选取流场稳定性较差的9种工况进行仿真验证,发现改进后流场的稳定性更好,水流速度降低了0.6m/s-0.8m/s,流动的稳定区间增加了1m-1.5m,有利于传感器的准确测量,证明了明渠改进的合理性、有效性。槽铝框式安装时,借鉴了角钢框式安装时流动稳定的相关结论,设计了6种工况进行仿真。由于槽铝框式安装取消了渠底凸台,下游的流速较大,流速比角钢框式高了约0.8m/s。为降低速度,在闸后修建了长度为1.8m、深度为0.2m的消力池,仿真结果表明,与修建消力池前相比,消力池后的水流速度降低了0.6m/s-1.4m/s,并且竖直截面上速度分布均匀,在闸前0.6m-2.2m、闸后6m-7m区间内流动比较稳定,适合安装传感器。上述两种安装方式的仿真研究成果,对自动计量平板闸门的推广和合理使用,具有重要的参考价值。
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