堰槽組合量水設施水力性能數值模擬研究

凌 剛，王文娥，王 惠，胡笑濤

?灌溉水源與輸配水系統?

堰槽組合量水設施水力性能數值模擬研究

凌 剛，王文娥*，王 惠，胡笑濤

（西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100）

【目的】堰槽組合量水設施適用于流量變幅較大的山區溪流流量測量，以數值模擬的手段全面分析其流場分布規律和水力特性，以期為堰槽組合量水設施的結構優化提供理論依據?！痉椒ā吭谀Ｐ驮囼灥幕A上，采用FLOW-3D軟件對10.13～200.00 L/s（試驗最大流量的2.8倍）范圍內的17種流量工況下該設施的水力性能進行數值模擬，分析了槽內流和堰槽流的沿程水深、佛汝德數（）及流速的變化規律?！窘Y果】所有流量工況下堰槽組合量水設施中心縱剖面和流速均沿程先增大后減小，呈單峰分布；設施上游水流平穩，為0.1～0.3，流速為0.08～0.5 m/s，隨流量的增加逐漸加大；水流進入該設施后，和流速急劇增大；設施下游出現較大范圍的薄水層區域，最大值達到3.0～4.6，流速最大值為1.05～2.06 m/s；槽內流時下游產生弱水躍，堰槽流時下游均為急流（＞1），同時擴散水流在側岸處發生折沖，產生菱形波；流量小于100 L/s時，模型試驗建立的測流公式最大相對誤差為6.11%，流量超過100 L/s時，相對誤差逐漸增大。對流量大于100 L/s的模擬結果進行分析，建立了流量大于100 L/s時的測流公式，該公式相對誤差小于0.87%，滿足河流量水要求?！窘Y論】基于FLOW-3D軟件對堰槽組合量水設施進行的水力性能數值模擬與模型試驗有著較好的一致性，建立了大流量下的測流公式，擴充了堰槽組合量水設施的測量范圍。

堰槽組合；數值模擬；佛汝德數；水力特性；FLOW-3D

0 引言

【研究意義】河流水位、流量監測是水資源利用的重要基礎數據，我國主要河流均已建立水文測站。但山區溪流數量多、位置偏遠，匯流時間短且變幅大，更易受降水和匯流條件等因素的影響，適宜的流量監測設施匱乏[1-5]?！狙芯窟M展】目前山區河流量水設施的研究主要為量水堰，如Piton等[6]通過長期的小尺度水槽試驗研究了攔河堰對山區陡坡河流上高度波動的推移質輸沙的影響，結果表明攔河堰能改善河流侵蝕及泥沙傳播的規律；Kupferschmidt等[7]通過室內堆石堰水力性能模擬試驗，分析堰的幾何形狀、河床坡度對堆石堰中的水流流態、速度、湍流動能等湍流特性的影響，并提出V形堆石堰有利于魚類遷徙。但橫跨整個河道的攔河堰容易造成上游水位壅高、泥沙淤積等問題，流量較小時堰上水頭過小，測流精度低；流量較大時容易引起下游沖刷，失去流量監測功能。灌區特設量水設施已超過100多種，主要為量水槽和量水堰等，諸多學者[8-13]研發的機翼型量水槽、梯形喉口無喉道量水槽、梯形薄壁側堰、三角形長喉道量水槽及量水柱等，這些量水設施主要適用于斷面規則、流量變幅不大的灌溉渠道。針對山區季節性溪流流量變化大導致量水精度低的問題，Wessels等[14-15]、王文娥等[16]提出堰槽組合量水設施，通過試驗建立了測流公式，分析了薄水層區域、垂線縱向時均流速等水力特性。

當前，計算流體動力學（CFD）方法憑借成本低，可視化程度高的優勢被廣泛應用在各種復雜結構的流場模擬分析，成為研究結構參數與水流內部流場關系的有效手段[17-22]。數值模擬軟件Fluent、FLOW-3D等不僅常應用在水輪機[23-25]、渦輪機[26]、泄洪洞[27]等大型水工建筑物的水力特性研究中，對渠道側堰[28]、田間便攜式短喉槽[29]、梯形喉口無喉道量水槽[30]、明渠[31]等小型水工建筑物的水力性能模擬研究也十分常見，其研究結果也均表明數值模擬結果能夠與試驗結果整體吻合較好，模擬方法可行、湍流模型適用，并可通過對不同結構設施的水力性能數值模擬結果進行結構優化。

【切入點】由于堰槽組合量水設施結構復雜，不同流量范圍內過流寬度及水深差異較大，需全面分析不同流量范圍內的流場分布規律及影響因素，為結構優化提供依據，而通過模型試驗[16]分析得到的水力特性存在一定的局限性，對于流速等水力特性在空間上的分布規律還有待深入研究?！緮M解決的關鍵問題】因此，本研究在模型試驗的基礎上，采用FLOW-3D軟件對該量水設施在10.13～200.00 L/s（試驗最大流量的2.8倍）范圍內的水力性能進行數值模擬研究，分析不同流量條件下堰槽組合量水設施水深、佛汝德數等沿程變化，流速分布規律及影響因素，進一步改進和擴充流量公式。

1 數值模型建立

1.1 堰槽組合量水設施結構

堰槽組合量水設施[16]如圖1所示，其結構包括排淤量水槽以及兩側的克倫普堰，其中排淤量水槽沿水流方向依次為分水段、矩形段、過渡扭面段和梯形窄段4個部分；兩側克倫普堰迎水面坡度為1∶2，背水面坡度為1∶5。堰槽組合量水設施利用堰、槽具有的穩定水位與流量關系，小流量時槽內過流（槽內流）、大流量時槽與堰同時過流（堰槽流），可在較大的流量范圍內均達到較高的量水精度，對山區溪流流量變幅大的特點具有很大的監測優勢；中部的量水槽還具備排沙沖淤及為魚類提供生態通道的作用；兩側堰體可控制主流方向，防止水流沖刷兩側岸坡，同時增加上游水深，滿足魚類和浮游生物生存需求。

圖1 堰槽組合量水設施三視圖（單位：cm）

堰槽組合量水設施測流機制試驗研究中，以距離量水設施進口前120 cm處的斷面為起始斷面沿中軸線布置測點，上游段6個測點（M1～M6），排淤量水槽12個測點（1～12），槽外出口段5個測點（13～17），下游薄水層區域5個測點（S1—S5），共28個測點。測點位置如圖2所示，測點1～17所在斷面到起始測點所在斷面的距離詳見表1。

圖2 堰槽組合量水設施測點布置

表1 量水槽槽內及出口段控制斷面位置

1.2 數值模擬控制方程

堰槽組合量水設施的過流為不可壓縮流體運動，可由下面的連續性方程和雷諾方程[32-33]描述。

由于水流從進入堰槽組合量水設施時，斷面大小急劇變化，流線彎曲，適宜采用RNG模型[12]。故本文選用RNG紊流模型。湍動能和湍動能耗散率方程[33]分別為式（3）和式（4）。

1.3 模型范圍及網格劃分

本文根據堰槽組合量水設施模型試驗尺寸建立三維幾何實體模型，為保證水流流態不受進出口條件的影響，綜合考慮模擬運行時間，選取堰槽組合進口上游4 m（大于25倍堰高及30倍最大堰上水頭）和出口下游5.83 m（實際下游至尾水的長度）的區域進行模擬。

通過4種寬度（3.0、2.5、2.0 cm和1.0 cm）的均勻網格、流量為78.7 L/s時的模擬結果，對上述模型范圍的整個計算域進行了網格無關性檢驗，圖3給出了4種網格尺寸下模擬得到的沿程水深。由圖3可知，當網格寬度為2 cm和1 cm時，模擬結果已經接近穩定，沿程水深已基本不再變化，綜合考慮模擬運行時間和精確度，本研究擬對全計算區域選用網格尺寸為2 cm′2 cm′2 cm進行網格劃分，又由于在模型試驗中，小流量情況下（=10.02 L/s和19.98 L/s等）堰后薄水層區域水深較淺，為適當提高精度，防止累計誤差帶來的影響，所以在對全體計算域采用2 cm′2 cm′2 cm網格進行劃分的基礎上，再次對堰后3 m的區域（即圖3中=210～510 cm）用尺寸為1 cm′1 cm′1 cm的網格進行加密處理，整體計算域網格數量約為322萬。

圖3 不同網格大小穩定后沿程水深

1.4 計算方法與邊界條件

對流項采用二階迎風格式，擴散項采取二階中心差分格式，最小時間步長為10-7s。對自由表面的模擬計算采用FLOW-3D獨特的Tru VOF方法，其只計算含有液體單元不考慮氣體單元的計算方式能夠更為準確的追蹤自由液面的變化[28]。

渠道上游進口邊界設為流量進口邊界，并根據試驗中實測流量設置流量值，從10.13～70.63 L/s共8種流量工況（10.13、19.92、30.08、32.75、40.15、50.30、60.04、70.63 L/s），其中32.75 L/s為槽內流與堰槽流的流量閾值；為進一步研究量水設施在大流量情況下的相關水力特性，選取80～200 L/s范圍內，共9種流量工況（80、90、100、110、120、140、160、180、200 L/s），共計17種模擬流量；下游出口設置為自由出流邊界；渠道底部及側壁均選擇無滑移固壁邊界；渠道頂部空氣入口設為壓力值與水體體積分數值均為0的壓力邊界，邊界條件設置如圖4所示。

圖4 三維模型與邊界條件

2 數值模擬可靠性驗證

為驗證模擬結果的準確性，根據模型試驗得知槽內流與堰槽流的流量閾值為32.75 L/s[16]，因此選取了流量閾值范圍內外4種流量（19.92、32.75、40.15、60.04 L/s）下渠道中心縱剖面沿程水面線的試驗及數值模擬結果進行對比（圖5）。從圖5可以看出，4種流量下水面線沿程變化的模擬結果與試驗吻合。

圖5 不同流量下渠道中心縱剖面水面線變化規律

結合圖5與圖6，當流量小于閾值時，槽內過流，在排淤量水槽進口上游水面線平穩，水流相對平順；水流剛進入排淤量水槽時，經迎水面為45°傾角的半圓柱狀隔墻的分水段得以平穩過渡，進而流入排淤量水槽內，水面開始下降；進入矩形段后水面線下降幅度進一步減小，呈相對平緩的狀態；進入過渡扭面段后，槽內兩側水流開始發生交叉，在槽中線匯聚，水面在承接前一段相對平緩的狀態后跌落較為明顯；最后進入梯形窄段，該段水面線下降最快，出現臨界流，水流由緩流變至急流；當水流流出排淤量水槽來到出口段時，因過流斷面突擴，水面線進一步下降，水流流態呈放射狀，并在下游出現兩側水深大，中間水深小的薄水層區域；同時，兩側的堰后出現回流區。當流量大于閾值時，槽內過流和堰頂溢流同時發生，堰后出現水流沖擊區域，且在設施下游，因渠道兩側對放射狀水流的約束作用，過流水流產生了擴散、匯集、再擴散的過程，呈菱形波的形態逐漸向下游發展。

圖6 堰槽組合量水設施模擬流態

在模型試驗中，測點4的水深（4）與綜合流量系數的相關性最強，其水深是進行流量計算的基礎[16]，所以將模擬工況測點4的模擬水深與實測結果對比分析，如表2所示，所有工況最大相對誤差均在5%以內，表明本研究采用的數值模擬方法合理可靠。

表2 不同流量下測點4模擬水深值與實測水深值對比

3 結果與分析

3.1 佛汝德數分析

佛汝德數（）是明渠流重要的無量綱數，可作為判別水流流態的標準。根據模擬結果，選取設施上下游分布的3種典型情況（=19.92、60.04、160.00 L/s，圖7）。第一種是水流只通過的排淤量水槽過流（槽內流）的情況，如圖7（a）所示，在上游較小且穩定均勻，經過量水槽之后逐漸變大，在槽后薄水層區域呈放射狀分布，隨后逐漸變小向下游發展；第二種如圖7（b）所示，槽內流與堰頂溢流同時發生（堰槽流），在堰后沖刷區極大，槽后放射狀分布經兩側渠道的約束更顯集中，呈三角分布，在尖角處值更大，下游整體與流態分布一致，呈菱形波的形態；第三種如圖7（c）所示，其堰后沖刷區值相比于圖7（b）更小，槽后的三角區域更小，下游也呈現菱形波的分布，雖然該情況下過流水流也是槽內流與堰頂溢流同時發生，但分布情況更接近堰流，通過槽內的水流對整體分布的影響逐漸降低。

圖7 不同流量下Fr分布

圖8給出了不同流量工況下渠道中心縱剖面沿程變化規律。在流量小于流量閾值32.75 L/s（圖8（a））時，沿程變化總體趨勢相似，呈現單峰分布，在上游段值基本穩定在0.1左右，波動幅度很小，當水流進入到排淤量水槽之后，過流斷面面積的逐漸減小導致值逐漸增大；水流流出排淤量水槽之后，進入薄水層區域，進一步增大至峰值后逐漸下降，同時有突變點產生，突變點處急劇減小，之后稍有起伏，但基本保持穩定。并且，隨著流量的增大，最大值位置和突變點位置逐漸向下游發展。

當來水流量大于流量閾值32.75 L/s時，如圖8（b）所示，總體變化規律呈單峰分布，隨著流量的增大，最大值逐漸增大，最大值位置也逐漸向下游發展，但當流量達到80 L/s之后，最大值卻逐漸減小，最大值位置逐漸向上游發展；同樣產生了急劇減小的突變點，但所有模擬工況的并沒有急劇減小到1以下，表明出口后的水流均是急流流態，突變幅度隨著流量的增大逐漸減小，突變位置隨著流量的增大逐漸向上游移動。

圖8 不同流量下渠道中心縱剖面Fr沿程變化規律

值得注意的是，結合圖8（a）和圖8（b），在來水流量小于30.08 L/s時，突變點處的急劇減小到了1以下，說明該處的水流形成了臨界流，水流由急流變為緩流，而來水流量大于等于30.08 L/s之后，突變點處的雖然同樣急劇減小，但并沒有小于1，表明在大流量情況下，薄水層區域的結束并不是由于水躍現象的產生，而是由于兩側渠道對堰槽后放射狀沖擊水流的約束，水流經側岸阻擋，折沖至薄水層區域，薄水層提前結束。

然而，當流量達到110 L/s時，如圖8（c）所示，最大值并沒有按照80～100 L/s的規律逐漸減小，而是突然變大，最大值位置也突然下移；之后，隨著流量的增大又恢復了最大值逐漸減小，最大值位置逐漸向上游發展這一變化規律；并且在=1處明顯產生交點，即各工況的臨界水深斷面的位置都在梯形窄段和出口段的交界處（=210 cm）。

從圖8中堰槽組合段內（=120～210 cm）的變化規律的局部放大圖可以看出，槽內流時，堰槽組合段內的變化曲率有一個放緩的過程（即曲線的斜率有一段減小的過程）；隨著流量的增大，在堰槽流時，這個過程逐漸消失，該段曲線逐漸變得平滑；圖8（c）的局部放大圖中，曲線的變化曲率已經沒有放緩的過程（即曲線斜率一直增大），這說明隨著流量的增大，排淤量水槽對水流的影響逐漸減弱直到幾乎無影響。并且，圖8（b）的局部放大圖中，堰槽組合段內的值隨流量的增大逐漸減小，圖8（c）的局部放大圖中，堰槽組合段內的值隨流量的增大逐漸增大，2種變化規律的不同說明這是2種形式的水流流態，即堰槽流和堰流。這說明本研究在原模型試驗以32.75 L/s區分槽內流與堰槽流的基礎上，以100 L/s再次將堰槽流與堰流進行區分是有一定意義的。

3.2 流速分析

流速分布決定了設施上游泥沙淤積和下游沖刷程度。圖9為不同流量工況下渠道中心縱剖面速度沿程變化規律。從圖9可知，在流量小于流量閾值32.75 L/s時，渠道中心縱剖面沿程變化總體趨勢相似，同佛汝德數變化規律一樣呈單峰分布，峰值隨流量的增大而增大；在上游段（=0～120 cm），流速變化從基本穩定逐漸緩慢增大，變化曲率較小，增幅不大，進入排淤量水槽之后，過流斷面收縮，流速變大，變化曲率增大，在過渡扭面段（=147.5～185 cm）曲率有輕微減小，進入梯形窄段（=185～210 cm）之后，流速大幅增長，流出排淤量水槽后達到峰值，后緩慢下降，薄水層結束位置處流速急劇下降，同佛汝德數的變化規律相對應。當來水流量大于流量閾值32.75 L/s小于100 L/s（堰槽流）時，整體變化規律呈單峰分布，且隨流量增大，流速峰值逐漸增大，各流量工況下的流速曲線在過渡扭面段和梯形窄段之間還有交點產生，上游段流速變化同流量閾值內的變化一致，進入排淤量水槽之后，流速急劇增大，變化曲率增大，達到峰值后緩慢下降，在薄水層之后流速開始變得相對穩定。在流量超過100 L/s（堰流）之后，出口后的流速有一段急劇下降的過程，且下降點逐漸向上游發展，與堰槽流有所不同的是，堰流的流速曲線在過渡扭面段和梯形窄段之間無交點產生，流速隨流量的增大而增大。

為進一步探究水流運動的基本規律，以流速流線分布圖來描述水流的運動狀態能夠更為直觀，圖10和圖11分別是=19.92和70.63 L/s時模擬的流速流線沿程分布圖。從圖10可以看出，在流量閾值內，槽內流時，從上游段開始，流速逐漸增大，流線因為過渡扭面段和梯形窄段的收縮而逐漸變得密集，水流流出排淤量水槽之后，流線呈放射狀向外延展，經渠道邊壁的約束作用后向渠道中心匯集，且兩側堰的堰后產生了回旋區。水流經過擴散、碰撞和再匯集之后流速相對減小。從圖11可知，在流量閾值外，上游段和量水槽內，流速分布和在閾值內時同樣有一個向中心集中的過程，流出量水槽之后也呈放射狀分布；不同的是，兩側堰堰頂有水流過流，堰前有部分水流跨過側壁向量水槽內匯集，堰后回旋區由沖刷區代替，由于流速更大，渠道邊壁的約束作用更明顯，流過水槽的水流產生了擴散、匯集、再擴散的過程，過流水流呈現菱形波的形態逐漸向下游發展。

圖9 不同流量下渠道中心縱剖面速度沿程變化規律

圖10 Q=19.92 L/s時流速流線沿程分布

圖11 Q=70.63 L/s時流速流線沿程分布

3.3 流量公式與測流精度

在模型試驗研究中[16]，通過臨界斷面水深與流量的關系，結合能量方程推導出了槽內流流量公式（式（5）—式（6）），此時測點4水深需滿足4/≤0.885；將迷宮堰與克倫普堰的流量公式相結合，建立了堰槽流流量公式（式（7）—式（8）），此時測點4水深需滿足4/≥0.885。

式中：為流量（m3/s）；dv為堰槽組合量水設施槽內流時的綜合流量系數；為排淤量水槽出口底部寬度（m）；4為距斷面M1距離=141.25 cm的測點4（槽內矩形段中間斷面）的水深（m）；為排淤量水槽高度（m）；0為堰槽組合量水設施堰槽流時的綜合流量系數；w為堰槽組合量水設施的有效過水寬度，為兩側堰的堰寬加上量水槽側壁進口至與堰頂齊平處的長度總和（m）；為側堰的堰高（m）。

將所有模擬結果中測點4的水深帶入上述流量公式，得到堰槽組合量水設施模擬值與計算值的誤差如表3所示。由表3可知，在流量閾值內相對誤差最大為4.78%；在流量閾值外相對誤差呈現先減小后增大的規律，在80 L/s左右達到最小值-1.12%。由于堰槽組合量水設施適宜于流量較小的山區溪流流量測量，測流精度要求較高，由表3可知，當流量超過100 L/s之后，絕對誤差已經達到-7.74 L/s，相對誤差達到-7.04%，結合圖8（b）和圖8（c）中的變化趨勢看，在80～100 L/s之間發生突變，無明顯規律，流量達到110 L/s后又逐漸規律起來；綜合考慮，文獻[16]中堰槽組合量水設施模型試驗得到的流量公式適用范圍是0～100 L/s。

表3 模擬流量值與計算流量值對比

為完善堰槽組合量水設施的流量公式，擴大測量范圍，將110～200 L/s的模擬結果進行進一步研究。同文獻[16]的研究相同，采用迷宮堰和克倫普堰相結合的公式：

式中：w為堰槽組合量水設施上游測點水深減去堰頂高度后的水深，本研究中取w=M1-，M1為堰槽組合量水設施上游段M1處的水深（m）。

根據模擬結果對0進行公式擬合，得到式（10），其相關系數達0.992 5，圖12為來水流量在110～200 L/s范圍內，堰槽組合流量系數0隨著測點M1的相對作用水頭w/(w+)的變化情況。

但在試驗中發現，上游段常常會有淤積現象而導致M1點水深產生測量誤差，需要在不會產生淤積的量水槽內找一個測點水深代替測點M1水深，研究發現量水槽中測點4與測點M1有較強相關性，圖13為測點4與測點M1在110～200 L/s流量范圍內二者的水深關系圖，其擬合的經驗公式如式（11），復相關性達到0.999 9。

圖12 堰槽組合流量系數隨相對作用水頭的變化

圖13 測點4與測點M1之間的相對水深關系

綜合前文，得到流量式（12）和式（13），此時測點4水深需滿足4/d≥1.4。將流量大于100 L/s的6種流量工況下測點4的模擬水深代入公式（式（12）—式（13））得到計算流量值，與模擬值對比結果見表4。由表4可知，最大流量相對誤差為-1.08%，相對誤差絕對值的平均為0.54%，所有相對誤差的絕對值均小于1%，滿足河流量水要求，說明擬合的流量公式計算精度較高，能有效推廣應用。

表4 模擬流量值與計算流量值對比結果

4 討論

堰槽組合量水設施的研究相對較少，Wessels等[15]僅給出了槽內流和堰槽流的判別和流量計算公式，王文娥等[16]在此基礎上分析了中垂線縱向時均流速、槽內中垂線佛汝德數的變化，但對于空間平面上的流速分布并未做深入探究。本研究中采用數值模擬這一可視化程度較高的手段對堰槽組合量水設施進行分析，得到中垂線佛汝德數和流速在量水槽內時的變化規律與王文娥等[16]的一致，并在此基礎上增加了對量水槽上游和下游水力特性變化規律的分析，同時展示了過流水力特性在空間上的分布。此外，還彌補了模型試驗中流量范圍不夠大的缺點，建立了大流量下新的測流公式，擴大了堰槽組合量水設施的測量范圍。

本文僅對一種結構參數的堰槽組合量水設施進行了數值模擬研究，為該堰槽組合量水設施的改進和優化提供了相關理論依據。對于槽寬、堰頂坡度等結構參數對堰槽組合水力性能的影響還有待進一步研究。

5 結論

1）采用RNG紊流模型模擬堰槽組合量水設施過流水流流動，水深最大相對誤差均在10%以內，水流流態變化規律相一致，通過數值模擬的方法進行量水設施水力性能的探究是可行的。

2）17種流量（范圍10.13～200.00 L/s）下堰槽組合量水設施中心縱剖面和流速均沿程先增大后減小，呈單峰分布；設施上游水流平穩，為0.1～0.3，流速為0.08～0.5 m/s，隨流量的增加逐漸加大；水流進入該設施后，和流速急劇增大；設施下游出現較大范圍薄水層區域，最大值達到3～4.6，流速最大值為1.05～2.06 m/s；除槽內流時（小流量）下游產生弱水躍，堰槽流時（流量較大）下游均為急流（＞1），同時擴散水流在側岸處發生折沖，產生菱形波。

3）在來水流量小于100 L/s時，模型試驗建立的測流公式最大相對誤差為6.11%，超過100 L/s之后，相對誤差將逐漸增大甚至超過10%；結合變化規律，得到模型試驗建立的測流公式最適宜的測流范圍是0～100 L/s（對應4/≤1.4）。建立了流量大于100 L/s時（對應4/＞1.4）新的測流公式，新測流公式的最大相對誤差為-0.87%。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

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Numerical Study of Hydraulic Performance of Weir-flume Combined Device

LING Gang, WANG Wen’e*, WANG Hui, HU Xiaotao

(Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

【Objective】The weir-flume apparatus, consisting of a measuring flume and a measuring weir, is an innovative device for monitoring and controlling open channel flow. Installed across channels, it can measure water flow, elevates upstream water level, and enhances ecological connectivity in rivers in diverse geographical conditions. While measurement formulas and hydraulic characteristics have been experimentally investigated for small flow with shallow water depth, there is a lack of study for large flow. This paper aims to bridge this gap by studying the vertical and longitudinal velocity profiles as well as spatial distribution of flow field under high flow conditions. 【Method】The analysis was based on numerical modelling. The FLOW-3D software was used to simulate hydraulic performance of a weir-flume device under 17 flow rates ranging from 10.13 to 200 L/s. From the simulated results we analyzed the impact of flow rate on water depth, Froude number (), and velocities within both the in-groove flow and the weir flow. 【Result】As the flow rate increased, theand velocity in the central longitudinal section of the device initially increased and then tapered off. The flow in the upstream of the device remained stable, withranging from 0.1 to 0.3 and velocities varying between 0.08 and 0.5 m/s. Bothand velocity gradually increased with the increase in flow rate. After entering the device,and flow velocity exhibited a significant surge. A wide range of thin water layers emerged in the downstream of the device, with the maximumand velocities being 3 to 4.6 and 1.05 to 2.06 m/s, respectively. A subdued water jump was observed downstream of the in-groove flow, while the downstream of the weir showed a jet stream with>1. Additionally, diffused water generated a rhomboid wave at the side bank. We derived a formula from the numerical simulations; its maximum relative error was 6.11% for flow rate below 100 L/s, beyond which the relative error gradually increased.【Conclusion】The numerical results obtained from FLOW-3D agreed well with the test data, validating the accuracy and consistency of the derived formula for analyzing measurement data from the weir-flume device. This work bridges a critical knowledge gap, enabling more precise assessment and control of open channel flow under various conditions.

weir-flume combination; numerical simulation; Froude number; hydraulic characteristics; FLOW-3D

1672 - 3317（2023）10 - 0136 - 09

TV8

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023049

凌剛, 王文娥, 王惠, 等. 堰槽組合量水設施水力性能數值模擬研究[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 136-144.

LING Gang, WANG Wen’e, WANG Hui, et al. Numerical Study of Hydraulic Performance of Weir-flume Combined Device[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 136-144.

2023-02-16

2023-06-16

2023-10-18

國家自然科學基金重點項目（U2243235）；陜西水利科技計劃項目（2021slkj-8）

凌剛（1997-），男。碩士研究生，主要從事水工水力學研究。E-mail:linggang@nwafu.edu.cn

王文娥（1975-），女。教授，博士生導師，主要從事流體機械與流體動力學、節水灌溉理論與技術研究。E-mail:wangwene@nwsuaf.edu.cn

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取 CC BY-NC-ND協議

責任編輯：趙宇龍