平板闸孔自由出流流量系数的实验研究

毛 潭，李继栋，史喆琼，吕垒平

(北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144)

平板闸孔自由出流流量系数的实验研究

毛 潭，李继栋，史喆琼，吕垒平

(北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144)

搭建了一个水力学的实验模型，对平板闸孔自由出流流量进行了实验分析，计算得到了自由出流流量系数的实验数据，将其与常用的三种自由出流流量系数的经验公式的计算值进行比较，为工程应用中经验计算公式的选择提供了实验依据。通过曲线拟合的方法，提出了一种基于二次函数的自由出流流量系数的计算方法，为流量计算提供了一种新的参考。

平板闸门；自由出流；流量系数；实验

我国水资源总量为2.9×104亿m3[1],但农业水利用效率十分低下。鉴于水资源的紧缺状况，我国建立了很多的输水系统，相应的管理部门对水的利用按量计费。因此，在不少的灌区渠道上，建有专门的量水设施，如量水孔板、水闸等，其中，闸门是输水系统的最常见组成部分。近年来，对闸门出流流量的水力学计算研究越来越多[2-5]。对于平板闸门,一般认为当闸孔开度与堰上水头的比值e/H≤0.65(e为闸门开启高度，H为闸前水位深度)时为闸孔出流[6], 当e/H>0.65时为堰流。本文主要就平板闸门的闸孔出流形式进行了实验研究。

闸孔出流形式有自由出流和淹没出流两种流态[7]。为了探明闸孔自由出流流量系数的规律, 设计了一套简明、实用、精度较高的水力学实验模型, 对闸孔自由出流的流量系数进行了实验研究。

1 实验模型

按弗劳德准则[8]设计并制作了正态水工物理模型，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，并在各种不同闸门开度的工况下，测量通过闸门的流量。模型示意图如图1所示。

1.输水管；2.蓄水池；3.手动阀门；4.导水管；5.稳压池；6.手动闸门；7.水渠；8.手动闸门；9.回水槽

图1 实验模型

实验过程：首先，开启水源，通过输水管1输送水到蓄水池2中，手动阀门3用来调节出水量，通过导水管4进入稳压池5中，调节必要的手动闸门6和8；然后，水流进入一个长164.5cm，宽7.4cm,深8.7cm的平底水槽7中；最后，流入长77cm，宽28cm,深65cm的回水槽9中。闸门最小开度精度控制在±0.2mm以内,蓄水池2和稳压池5缓解了水流冲击，槽7中安放底部光滑、表面粗糙的橡胶垫，以使模型所带来的影响减至最小。

2 自由出流

闸后发生临界式水跃连接或者远驱式水跃连接，出流的流量Q不受下游水深影响。这种出流形式为自由出流，如图2所示。

图2 自由出流

对图2中闸孔自由出流，根据闸前断面和闸后收缩断面的能量方程[9]：

由Q=AV计算流量，A取断面B的面积，流速V取VB，因此，闸孔自由出流的流量公式[10]：

引起流量计算值不同的主要原因是流量系数μ0的不同。根据近年来不断地研究与试验，人们提出了多种不同的流量系数计算公式，而使用最频繁的主要有三种经验公式。

第一种为直线式的经验公式[11]:

μ0=0.6-0.18e/H(3)

有文献做了模型试验，对式(3)进行了优化，得到了更准确、实用的表达式[12]：

μ0=0.598-0.190e/H(4)

第二种为曲线式的经验公式[13]：

还有文献给出了第三种经验公式[14]：

3 实验数据分析

实验研究方法：首先，使用图1的实验模型进行实验测量，撤去手动闸门8，调节手动闸门6，给定一个开度e，调节手动阀门3，待水流稳定后，测量闸前水位H，通过记录时间t和时间t内通过的水的体积来计算流量；然后，依次改变闸门开度e，记录相应的实验数据，再使用式(4)～式(6)计算流量；最后，与实测流量进行比较，见表1。

表1 实测流量与计算流量比较

表2 实验测量数据得出的e/H，μ0

图3 式(4)与实验数据关系图

图4 式(5)与实验数据关系图

图5 式(6)与实验数据关系图

从表1可以看出，式(6)的计算流量与实测流量最为接近。通过3个公式与实验数据的关系图可以看出，通过不同开度和闸门高度的模型实验，式(6)与实验数据最为相近。因此，建议工程应用采用式(6)。

a=0.144 4，b=-0.322 2，c=0.634 0

即：

图6 二次函数型流量系数拟合图

4 结束语

根据实验数据，本文拟合出流量系数二次函数型公式：

该公式为流量计算提出一种新的参考，并且在面向灌区调水工程的远程自动计量闸门设计[15]中得到了应用。

[1]中华人民共和国水利部．中国水资源公报[EB/OL].[2014-08-20].http://www.mwr.gov.cn.

[2] 徐岗, 王月华.水力自控翻板闸门泄流量计算探讨[J].浙江水利科技,2014(2):62-65.

[3] 周全，杨笛音，孟钲秀.平原感潮河网地区边界水闸流量计算方法[J].水电能源科学,2014(5):19-22.

[4] 单长河.短喉堰自由出流流量系数试验研究[J].工程勘测设计,2014,36(8):101-105.

[5] 季益胜.新桥节制闸过闸流量的理论计算[J].民营科技,2011(8):6.

[6] 邱静,黄本胜,赖冠文.宽顶堰平板门闸孔出流流量系数的研究与应用[J].中国农村水利水电，2002(9):41-42.

[7]侯冬梅，王才欢，刘毅.调水工程输水渠道堰闸流量计算方法探讨[J].长江科学院院报，2013,30(8):79-83.

[8]孔珑.工程流体力学[M].4版.北京：中国电力出版社，2014.

[9]张志昌，肖宏武，毛兆民.明渠测流的理论和方法[M].太原：山西人民出版社，2004.

[10]吴持恭.水力学(上册)[M].4版.北京:高等教育出版社，2008.

[11]武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册[M].北京:水利电力出版社，1983.

[12]吕志刚,贾翠兰.闸孔出流流量系数的计算[J].水道港口，1994(3)：40-45.

[13]中华人民共和国水利部.水工建筑物测流规范(SL20-92)[M].北京：水利电力出版社，1992.

[14]薛朝阳,胡德保.平底闸平面闸门下孔流流量计算[J].华东水利学院学报，1982(2)：33-48.

[15]张从鹏，罗学科,毛潭.面向灌区调水工程的远程自动计量闸门设计[J].农业机械学报，2014，45(8)：172-177，275.

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

北京市人才强教计划基金资助项目(PHR2011 08053)；山西省水利科学技术基金资助项目(JSKY201007001)。

毛 潭(1982-)，男，硕士，讲师，主要从事数字化制造工艺设计和实验技术研究工作。

TV

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.03.003