CN111680460B - 水力自动翻板闸门流量系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

水力自动翻板闸门流量系数的确定方法，属于水利设施流量系数测试和研究领域，尤其涉及一种应用于测试研究水力自动翻板闸门综合流量系数的方法。本发明方法包括流量系数计算公式的推导，并计算流量系数值，以及建立试验模型，并计算实测流量系数值，将计算值和实测值进行比较，验证公式计算精度。本发明方法解决不同倾角下的水力翻板闸门泄流能力的计算难题。并可用于其他相同结构的水力自动翻板闸门的过流流量计算，为水力自动翻板闸门的设计和运行提供科学依据。

Description

水力自动翻板闸门流量系数的确定方法

技术领域

本发明属于水利设施流量系数测试和研究领域，尤其涉及一种应用于测试研究水力自动翻板闸门综合流量系数的方法。

背景技术

水力自动翻板闸门凭借水压力、水重、自重来实施启闭。闸门开启后，门上门下分两层泄流。门顶上面的水流有自由表面，属于堰流，且水流流态随着闸门开启角度的增大，逐渐由薄壁堰流过渡到宽顶堰流。门板下面的水流呈孔流状态流向下游。水力自动翻板闸门闸顶过流后，门顶及下部孔口同时泄水，这两部分水流又相互混合，水流处于一种闸孔泄流与堰流相叠加的复杂水力现象，这样就无法直接套用堰流公式或闸孔出流公式进行闸门流量的计算。目前此种情况下的闸门过流流量计算，在理论上没有精度高的计算方法，因此，需要通过模型测试并验证推导出闸门综合流量系数，提出一种测试水力自动翻板闸门流量系数的方法。

发明内容

本发明目的是解决目前没有一种精度高的测试水力翻板闸门流量系数计算方法的问题，提出综合考虑闸孔泄流与堰流相叠加的复杂水力现象，解决不同倾角下的水力翻板闸门泄流能力的计算方法。

本发明水力自动翻板闸门流量系数的确定方法，其特征在于该方法包括流量系数计算公式的推导，并计算流量系数值，以及建立试验模型，并计算实测流量系数值，将计算值和实测值进行比较，验证公式计算精度；

所述的流量系数计算值采用的计算公式为：

式(1)中，d为闸门在对应倾角下的阻挡系数；

P₁为上游堰高，单位m；

H为闸前堰顶水头，单位m；

L为闸门直立关闭挡水时的闸门门高，单位m；

为闸门倾角；

所述的式(1)中d值通过以下公式计算：

式(2)中，Q₁为水力翻板闸门在某一闸门倾角下的实测流量，单位m³/s；

Q₂为未考虑闸门阻挡作用时的宽顶堰流量，即理论流量，单位m³/s；

所述的式(2)中Q₂通过以下公式计算：

式(3)中，n为闸孔数目；

b为闸孔净宽，单位m；

H₀＝H+v₀ ²/2g为包括行进水头在内的上游总水头，单位m；v₀为闸前行进流速；g 为重力加速度；

所述的(2)中Q₁通过以下公式计算：

所述的试验模型由三角形量水堰、闸前水库库区、水力翻板闸门通过粘接或栓接组装而成；三角形量水堰设于库区上游，水堰岸边翻板闸门前布置水位测针钢尺，水力翻板闸门面板、支腿由有机玻璃制成。

所述的流量系数实测值采用的计算公式为：

式(5)中，b＝0.40m；

n＝1。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

(1)水力翻板闸门闸顶过流后，门顶及下部孔口同时泄水，水流处于一种闸孔泄流与堰流相叠加的复杂水力现象。目前此种情况下的闸门过流流量系数，在理论上没有现成成熟精度高的计算公式。通过实测流量系数验证推导的不同特定闸门倾角下水力自动翻板闸门流量系数提出可靠计算公式，可解决不同倾角下的水力翻板闸门泄流能力的计算难题。并可用于其他相同结构的水力自动翻板闸门的过流流量计算，为水力自动翻板闸门的设计和运行提供科学依据。

(2)模型试验实测值对推导的流量系数计算公式进行了验证，结果表明计算值与实测值的相对误差一般都在5％以内，精度较高，在允许误差范围内，能够满足实际设计工程的需要。

附图说明

图1为自动翻板闸门开启示意图；

图2为自动翻板闸门过流示意图；

图3水位测针钢尺。

图中：1-库区；2-测针钢尺；3-水力翻板闸门；

为闸门倾角，e为闸门开度，L为闸门高度，H为闸前堰顶水头。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：本发明首先推导水利工程上使用的水利自动翻板闸门的流量系数的一种计算公式，并根据室内闸门水工模型进行了试验以获取流量系数的实测值，对推导的流量系数计算公式进行了精度验证，最后提出一种可靠性好的水利翻板闸门流量系数计算方法。

本发明的技术方案如下：

步骤1，推导流量系数计算公式，具体过程如下：

首先将翻板闸门过流假定为堰流，用堰流公式计算流量时，将翻板闸门看作堰上障碍物，需考虑闸门对过闸水流的阻挡作用，且随着闸门倾角和堰前水头的变化，闸门对水流的阻挡程度不同，故用堰流公式计算闸门流量时，需在流量公式中加入闸门对水流的阻挡系数d。

闸门实测流量用Q₁表示。考虑到翻板闸门建在宽顶堰上，闸前的理论流量用宽顶堰流量公式计算，其流量用Q₂表示。堰流时的闸前水头为H，闸门实际过流时的闸前水头可看作是闸前水头H减去闸门在过流断面上的投影高度，并假定这两个流量之比与其对应的闸前水头呈正比例关系，先设定它们之间的函数关系式的形式为：

式中，Q₁为水力翻板闸门在某一闸门倾角下的实测流量，单位m³/s；Q₂为未考虑闸门阻挡作用时的宽顶堰流量，即理论流量，单位m³/s；H为闸前堰顶水头，单位m；L为闸门直立关闭挡水时的闸门门高，单位m；φ为闸门倾角；d为闸门在对应倾角下的阻挡系数。

理论流量Q₂由宽顶堰流量堰流公式计算得出，即：

式中，P₁为上游堰高，单位m；n为闸孔数目；b为闸孔净宽，单位m；H₀＝H+v₀ ²/2g 为包括行进水头在内的上游总水头，单位m；v₀为闸前行进流速；g为重力加速度，一般取9.8。

由公式(1-1)、(1-2)可以得出：

则推导出的翻板闸门综合流量系数m_f的计算公式可表示为：

以上推导出的闸门流量系数的计算公式，是在宽顶堰流量系数的基础上乘以一个阻挡系数和闸门相对过流面积，与闸门倾角和堰前水头有关，这个阻挡系数大小直接反映了翻板闸门的对水流的阻挡程度。如果直接用该公式，则需计算出阻挡系数d。

由公式(1-1)可推导出特定闸门倾角下对应于不同水位的阻挡系数d值：

通过试验表明：在同一闸门倾角下阻挡系数d变化不大，故可用一个平均综合阻挡系数d来表示该闸门倾角下闸门的阻挡能力。d值由模型试验得出，对于不同的闸门倾角，阻挡系数d值不同。经试验得出的翻板闸门在10°、35°、60°、80°这4个不同闸门倾角下的平均综合阻挡系数d值分别为0.81、0.99、1.10、1.03。

步骤(2)，模型试验，对流量系数实测值与计算值比较，验证公式计算精度。

试验模型主要由三角形量水堰、闸前水库库区、翻板闸门组成。三角形量水堰设于库区上游，由灰塑板做成，流量大小是用布置于量水堰岸边处的测针钢尺读出水位值，再利用现有的三角堰堰流公式自动计算出上游来流量值。库区的闸门上游，水位测针钢尺布置在闸门前1.2m(原型为30.0m)处的玻璃水槽墙边，此处水流流态平稳，用于实时测读闸门上游水库水位，测量精度为0.1mm。翻板闸门模型是按重力相似(佛汝德数相似)准则设计的正态模型，与原型水利翻板闸门的比例为1：25，在40cm宽的玻璃水槽内测试单扇水利翻板闸门在不同倾角(开度)下的过流能力。闸门门高28cm，门宽 40cm。闸门面板、支腿用有机玻璃制成，模型制作误差±0.1mm，模型装配形式采用粘接和栓接。

试验研究可选取不同的闸门倾角，分别作为某一特定工况进行。在模型实际测试时，当闸门直立挡水时，闸门倾角为0°，闸门高度L为28cm，闸门全开时，闸门倾角为 80°(即翻板闸门最大倾角)，闸门下部开度e为0.178m。

闸门实测流量系数m由试验中测得的水位—流量值，根据公式计算出，实测闸门流量系数计算公式为：

上式中，试验中用的b＝0.40m，n＝1，H0中的v₀利用闸前旋浆流速仪测出。

针对10°、35°、60°、80°这4种不同闸门倾角工况，由公式(1-4)分别计算出闸门流量系数计算值m_f，与公式(1-6)计算出闸门流量系数实测值m进行比较，并计算其相对误差。经对试验数据进行分析，翻板闸门流量系数计算值与实测值的最大相对误差为3.74％。

当闸门全开(倾角为80°)时的工况，对比闸门流量系数计算值与实测值，并计算其相对误差，计算结果见表1。

表1闸门全开时流量系数计算值与实测值比较

水位(米)	366.0	366.2	366.3	366.5	366.7	366.8	367.0	367.2	367.3	367.5	367.7	367.8	368.0
														计算流量系数m<sub>f</sub>	0.310	0.311	0.312	0.313	0.315	0.315	0.317	0.318	0.318	0.032	0.321	0.321	0.322
实测流量系数m	0.315	0.315	0.316	0.316	0.317	0.317	0.316	0.316	0.316	0.315	0.315	0.317	0.315
														相对误差(％)	1.47	1.15	1.09	0.94	0.76	0.65	-0.17	-0.67	-0.92	-1.43	-1.94	-1.33	-2.20

三角形量水堰设于库区上游，流量大小是用布置于量水堰岸边处的测针钢尺读出水位值，再利用现成的上述三角堰堰流公式(1-1)和(1-2)自动计算出上游来流量值；库区的闸门上游水位用测针钢尺读取，闸前流速用闸前旋浆流速仪自动测出。

进行模型试验时，在某一特定闸门倾角下，测量上游不同来流量情况下，读取量水堰和上游库区水位测针的读数以及测出闸前流速，建立在该特定闸门倾角下的闸前水位和过水流量的闸门泄流曲线，利用上述公式(1-3)计算在一特定闸门倾角下水力翻板闸门实测的综合流量系数m，并与推导的公式(1-4)计算出的在这一特定倾角下的流量系数m_f进行比较，进而验证推导出的翻板闸门综合流量系数计算公式的精确度和可靠性。

根据模型试验对推导的流量系数计算公式的验证结果，表明计算值与实测值的相对误差一般都在5％以内，精度较高，在允许误差范围内，能够满足实际设计工程的需要。本试验最终提出可靠的流量系数计算公式，以解决不同倾角下的水力翻板闸门泄流能力的计算，为水力自动翻板闸门的设计和运行提供科学依据。

尽管这里参照本发明的多个解释性试验实例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (2)

1.水力自动翻板闸门流量系数的确定方法，其特征在于该方法包括流量系数计算公式的推导，并计算流量系数值，以及建立试验模型，并计算实测流量系数值，将计算值和实测值进行比较，验证公式计算精度；

所述的流量系数计算值采用的计算公式为：

式(1)中，d为闸门在对应倾角下的阻挡系数；

P₁为上游堰高，单位m；

H为闸前堰顶水头，单位m；

L为闸门直立关闭挡水时的闸门门高，单位m；

为闸门倾角；

所述的式(1)中d值通过以下公式计算：

式(2)中，Q₁为水力翻板闸门在某一闸门倾角下的实测流量，单位m³/s；

Q₂为未考虑闸门阻挡作用时的宽顶堰流量，即理论流量，单位m³/s；

所述的式(2)中Q₂通过以下公式计算：

式(3)中，n为闸孔数目；

b为闸孔净宽，单位m；

H₀＝H+v₀ ²/2g为包括行进水头在内的上游总水头，单位m；v₀为闸前行进流速；g为重力加速度；

所述的(2)中Q₁通过以下公式计算：

2.如权利要求1所述的水力自动翻板闸门流量系数的确定方法，其特征在于所述的试验模型由三角形量水堰、闸前水库库区、水力翻板闸门通过粘接或栓接组装而成；三角形量水堰设于库区上游，水堰岸边翻板闸门前布置水位测针钢尺，水力翻板闸门面板、支腿由有机玻璃制成。

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