矩形薄壁堰流态转换机理与贴壁流水力特性研究

针对矩形薄壁堰的水头-流量关系仅限于自由流态下，经典流量系数公式的适用条件均存在最小水头的限制，难以解决大小流量兼顾、连续自动量测的实际问题，本项目以矩形薄壁堰为研究对象，基于流体力学理论，构建贴壁堰流条件下明槽气液两相流的CFD模型，通过改变堰型几何参数的大量物理实验，结合CFD数值模拟和高速摄像-示踪粒子轨迹跟踪的方法，模拟贴壁流流态下流场和压力场分布，分析自由水面的降落规律，研究流态转换过程和贴壁流下各物理力的相互作用，探讨水力要素的变化规律以及沿程能量转换关系，揭示贴壁流现象的微观机理，分析流态转换的必要条件，定量描述流态转换临界水力参数，提出贴壁流情况下的水头-流量关系，力求消除最小水头限制，拓宽矩形薄壁堰流量量测范围，研究结果可为矩形薄壁堰连续自动量测随机性较大、丰枯流量相差悬殊的天然径流提供理论基础和技术支持。

针对矩形薄壁堰的水头-流量关系仅限于自由流态下，经典流量系数公式的适用条件均存在最小水头的限制，难以解决大小流量兼顾、连续自动量测的实际问题，本基金项目以最常用的矩形薄壁堰为研究对象，基于流体力学理论，构建了贴壁堰流条件下明槽气液两相流的CFD模型，通过3三种不同材料、规模和形式的水槽，20种不同尺寸堰板，898个贴壁流系列工况试验及823个自由流系列工况的试验数据，结合粒子图像测速法（PIV试验）和CFD数值计算，模拟了贴壁流态下流场和压力场分布，分析了自由水面的降落规律，研究了流态转换过程和贴壁流下各物理力的作用关系，探讨了水力要素的变化规律以及水流过堰能量转换关系，揭示了贴壁流现象的微观机理，提出了流态转换的必要条件和判别标准，定量描述了流态转换临界水力参数，提出了贴壁流情况下的水头-流量关系和过流能力的Re表达，消除了长期以来矩形薄壁堰测流的最小水头限制，拓宽了矩形薄壁堰流量量测范围，研究结果可实现流态转换判别非人工目测，为矩形薄壁堰连续自动量测随机性较大、丰枯流量相差悬殊的天然径流和灌区水量精准量测提供理论依据和技术支持。