基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟

肖苡辀，王文娥，胡笑涛（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100）



基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟

肖苡辀，王文娥※，胡笑涛
（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100）

摘要：田间量水是实现灌区计划用水和节水农业的关键技术，但由于试验条件、测量方法和精度的限制，传统的水工模型试验分析田间量水设施的水力性能存在一定局限性。该文基于FLOW-3D软件，采用RNG k-ε三维湍流模型、TruVOF方法、FAVOR（fractional area volume obstacle representation）技术模拟喉口宽度为51 mm的田间便携式短喉槽过槽水流的三维流场。与试验结果对比表明：过流能力、水流流态以及水深与试验结果较为吻合，误差小于10%，采用的数值模拟方法能够有效地模拟田间便携式短喉槽水力性能，在确定数值模拟可靠性的前提下，对其水力性能进行分析。数值模拟结果显示：佛汝德数、流速在自由出流工况下沿程增大，在淹没出流条件下先增大后减小，并由佛汝德数分析结果确定了临界水深断面所在区域为喉口段后半部分；通过回归分析得到的田间便携式短喉槽上游水深与流量计算公式最大测流误差为−5.63%，满足灌区量水精度的要求；该量水槽最大水头损失占总水头的12.10%，相比于长喉道量水槽的13%较小。该研究对提高量水设备研发效率、降低研发成本与周期、促进中国灌区流量精准测量设备的推广具有实用价值。

关键词：水工建筑物；佛汝德数；流速；水头损失；便携式短喉槽；数值模拟

肖苡辀，王文娥，胡笑涛. 基于FLOW-3D的田间便携式短喉槽水力性能数值模拟[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：55－61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009http://www.tcsae.org

Xiao Yizhou, Wang Wen’e, Hu Xiaotao. Numerical simulation of hydraulic performance for portable short-throat flume in field based on FLOW-3D[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 55－61. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009http://www.tcsae.org

0　引　言

灌区量水技术是实行计划用水、节约用水和按方计收水费的关键技术措施。对于现有的量水设施，从经济实用、稳定可靠的角度考虑，量水槽将是灌区最适合、最易大范围推广应用的一种明渠量水设施[1-2]。目前关于量水槽的研究较多，多为渠道上的测流，对于田间进水口的小型便携式量水设备研究很少。由于量水设施的应用受到渠道类型、尺寸以及底坡的影响，渠道通过较大流量时计量较为精确，对于分散到用水户田间地头的水量难以准确量测和控制，这与灌区的用水情况不相适应[3]。由于田间进水口量大面广，应该使用简单、经济、具有合理精度的量水设备，现有量水槽的研究成果还不能满足测流精度高、水头损失小的田间进水口测流需求。长喉道量水槽占地面积较大，水头损失也较大，无喉道量水槽水力特性较复杂，过槽水流紊动较大，因此选择短喉道量水槽作为田间进水口量水设备较为适宜[4]。

目前对于短喉道量水槽的研究多为巴歇尔量水槽，对其他体型或新体型短喉道量水槽测流研究很少。Cone[5]首次提出文丘里量水槽，是一种由收缩段、喉道段以及扩散段组成的新体型量水槽。Parshall[6]改进了文丘里量水槽的底坡设计，将改进的文丘里量水槽命名为巴歇尔量水槽，并建立了相应的水深与流量计算公式。Gaylord V Skogerboe等[7]进一步研究了巴歇尔量水槽在自由、淹没出流工况下的水力性能，并且结合无量纲分析方法研究淹没度对巴歇尔量水槽的影响。Wright[8]等利用数值模拟的方法研究了巴歇尔量水槽内流体黏度对水深流量关系式的影响。李杰等[9]对喉口宽度为0.25 m的标准巴歇尔量水槽进行了不同流量下水力性能试验，拟合得到自由出流和淹没出流工况下上游水深与流量公式。肖苡辀等[4]在喉口宽度为0.051 m的小型巴歇尔量水槽的基础上，设计了一种便携式、槽底为平底、适用于田间进水口的田间便携式平底短喉道量水槽，通过物理模型试验研究了田间便携式平底短喉道量水槽的水力特性，并拟合得到精度较高的上游水深与流量计算公式。

近年来，计算流体动力学CFD（computational fluid dynamics）的数值模拟分析广泛应用于量水槽的设计。CFD技术在一定程度上弥补了理论分析和试验测试的不足，具有成本低、耗时短、比较容易获取流场中数据以及实现流场可视化的优势[10]。王月华等[11]采用FLOW-3D软件验证了水闸的泄流能力，模拟了消能工况水流条件下三级消能池的水流情况，并结合水工模型试验具体分析了消能池中的水力特性，表明该软件模型具有可行性与实用性。宋永嘉等[12]采用FLOW-3D软件对景观瀑布水力特性进行数值模拟研究，分别提出了镜面水舌长度、堰顶水头与单宽流量的关系曲线，找出了水舌姿态与流量等水力要素的相关性并确定水力设计的相关参数。刘英等[13]运用FLOW-3D软件分析了U形渠道圆头量水柱的测流规律及影响因素，并与试验数据对比，发现模拟结果与实测结果吻合性较好。

在田间便携式短喉槽模型试验的基础上，本文采用FLOW-3D软件对该量水槽的水力特性进行数值模拟研究，提出了该体型量水槽数值模拟的方法，并将其与水工模型试验结果[4]进行比较，从而验证数值模拟方法的可靠性，利用验证后的模型得到了过槽水流的流场，进一步阐明了过槽水流的水力性能。该研究为提高量水设备研发效率、降低研发成本与周期提供了参考，对于促进中国灌区精准量水设备的推广应用具有实用价值。

1　数学模型的建立

1.1量水槽结构

依据肖苡辀等[4]的研究结果，在田间进水口处安放田间便携式短喉槽可以较准确地测量过槽流量，该量水槽结构形式如图1所示。槽内控制断面为测量断面，各控制断面距离量水槽进口首断面的距离见表1。

图1　便携式平底短喉槽结构简图及其槽内断面划分图Fig.1　Structure sketch and section division of portable short-throat flume with flat base

表1　各控制断面距量水槽进口首断面的距离Table1 Distance from first section to each control section

1.2控制方程

田间便携式短喉槽测流为不可压缩黏性流体运动，根据基本的物理守恒定律，过槽水流为牛顿流体，则量水槽测流可运用连续性方程和Navier-Stokes方程[14-15]描述。

连续性方程

Navier-Stokes方程

式中ρ是流体密度，本文研究对象为水，取值为1 000 kg/m3；t是时间，s；u是速度矢量，u、v和w是速度矢量在x、y和z方向的分量，m/s；μ是流体动力黏滞系数，N·s/m2，本次数值模拟在20℃条件下进行，取值为1.002；Fx、Fy和Fz是微元体上的体力，若体力自由重力，且z轴竖直向上，则Fx=0、Fy=0、Fz=−ρ·g，kN/m3；引入散度div(a)=∂ax/∂x+∂ay/∂y+∂az/∂z；引入梯度grad(b)=∂(b)/∂x+∂(b)/∂y+∂(b)/∂z。

关于湍动能k和湍动能耗散率ε的方程[14-15]分别为式（3）和式（4）。

湍动能k方程

湍动能耗散率ε方程

式中k为湍动能，m2/s2；ε为湍动能耗散率，kg·m2/s3；μ是流体动力黏滞系数，N·s/m2；μt为流体的湍动黏度，μt=ρ·Cμ·k2/ε，N·s/m2；Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，；，C1ε=1.42，，，η0=4.377，β=0.012；C2ε=1.68；i、j=1、 2、3。

1.3网格划分

根据设计的量水槽具体尺寸，利用Auto CAD建立三维几何模型，为了使模拟的渠道流态更加逼真且方便最终计算，将量水槽模型进口上游部分连结一个过水断面较量水槽进口大的2.5 m×2.0 m水池来延长进口长度、保证水流平稳；同时为了使数值计算模型与试验设施布置一致，将模型进口前的水池侧壁连结一段一定长度的渠道，作为上游进水口；量水槽模型出口下游部分连结一段宽1.0 m、一定长度的渠道，作为下游出水口。

FLOW-3D软件对模型网格划分采用的是FAVOR （fractional area volume obstacle representation）技术[16]。FAVOR技术是运用有限差分法，根据单元中没有被计算对象占据的面积以及体积的比例来模拟复杂形状，能够以较少数量六面体网格单元来消除和顺滑不平整区域，使建立起来的网格模型不会失真。该量水槽数值模型的单元网格尺寸为2 cm×2 cm×2 cm。

1.4计算方法与边界条件

基于计算流体力学软件FLOW-3D，采用RNG k-ε三维湍流模型进行数值模拟，并采用有限差分法将模拟控制方程离散为代数方程组进行求解计算，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，最小步长值设为10-6s。所选用的FLOW-3D软件对自由液面的描述是经过优化的VOF方法，称之为TruVOF方法[16]。TruVOF方法只计算含有液体的单元而不考虑只含气体的单元，很大程度上减少了模型收敛所需的时间，对自由液面的描述更加准确，为解决水力学问题提供了更高的精度和效率。

某一工况下，槽内水流为恒定流，边界条件设定如下：上游进口设置为流量进口边界，根据试验中实测流量给定一系列的进口流量值，不设定流体高度和流动方向，即默认流体从整个边界开放区域流入，流动方向与边界垂直；下游出口设置采用出流边界（若为淹没出流工况，则在量水槽出口下游2～3 m处设立一定高度的坎进行壅水，形成淹没出流工况）；渠道底部均及侧壁均选择固壁边界；渠道顶部空气入口设定为对称边界，即默认无流体穿过该边界，见图2。

图2　数值模型及其边界条件Fig.2　Numerical model and boundary conditions

2　结果与分析

2.1模拟结果与试验结果对比

2.1.1流态分析

流态分析是研究田间便携式短喉槽水力特性的基本要素。基于田间便携式短喉槽试验，观察发现：在所有工况下（自由出流：5.93、6.39、7.68、10.67、12.42、13.65、14.06、14.86、17.96、20.05 L/s，淹没出流：7.45、8.82、9.68、11.63、13.39、14.20、15.585 L/s），当上游调节阀门刚开启时，水流急速通过渠道流入出水池，在出水池通过便携式短喉槽向下游回水管道下泄；随着水的不断流入，出水池的水位有一定的抬升，量水槽内水面缓缓上升；随着时间的推移，出水池水位上升至一定水位后趋于平稳，量水槽内水面也逐渐稳定，整个流场趋于稳定。水流经过便携式短喉槽进口段比较平顺，在进口段接近喉口段的部分水位开始缓缓下降；由于受到侧收缩的影响，水流经过量水槽喉口段时开始有明显的水面降落，并在喉口段内产生临界流，水流由缓流状态变至急流状态；随后通过出口段下泄至下游回水管道。根据试验实测流量、出口出流情况（自由出流或淹没出流），利用FLOW-3D软件模拟18种工况下便携式短喉槽的时均流场变化结果，与试验观测结果一致。图3a为自由出流工况下流量为7.68 L/s的试验实测流态，图3b、3c为自由出流工况下流量为7.68 L/s的流场分布，数值模拟结果显示量水槽内水面由于受到侧收缩的影响不断下降的流态，与实测流态结果相同（图3a）。

图3　便携式短喉槽实测流态与模拟流态对比（下游视角）Fig.3　Comparison of measured and simulated flow patterns (from downstream view)

2.1.2纵剖面水面线

纵剖面水面线是形象表达过槽水流流态的重要元素。以流量为6.39、14.06 L/s自由出流工况，流量为12.33、15.58 L/s淹没出流工况为例，图4为流量与出流条件相同时，4种工况下模拟与实测的纵剖面水面线变化规律图，试验实测水深采用SCM60型水位测针对11个控制断面水深进行测量，精度为0.1 mm[4]。从图4可见，便携式短喉槽进口段水面平缓且略有下降的趋势，为渐变流；接近喉口段处由于受到侧收缩的影响，水面有明显下降，水面线曲率明显增大，为急变流；喉口段水面急剧跌落，水流流态从缓流转变至急流；出口段水面在自由出流情况下是继续下降且快速下泄至槽外。在淹没出流工况下产生水跃，水面波动较大，最终水面缓缓抬高至下游水位。通过对比分析可知，不同流量、不同出流条件下模拟与实测水面线的变化规律趋势相同，模拟值与实测值较为接近，最大相对误差为9.56%。由此可得，利用FLOW-3D软件模拟该量水槽过槽水流流态及其模拟设置参数是适宜且精度较高的。

图4　纵剖面水面线变化规律图Fig.4　Change of water surface at longitudinal section

综上，本文应用的数学模型能够较真实地反映田间便携式短喉槽过槽水流运动的流场分布。在此基础上，通过FLOW-3D软件所得模拟数据，分析田间便携式短喉槽的水力特性，以期得出满足灌区量水精度要求的流量公式。

2.2佛汝德数分析

在明渠水力学中，佛汝德数Fr是一个非常重要的无量纲数，可作为判别明渠水流流态的标准。以流量为14.06 L/s自由出流、流量为12.33 L/s淹没出流工况下的模拟佛汝德数沿程变化规律为例（图5）。

图5　便携式短喉槽内Fr沿程变化情况Fig.5　Fr variation along flow of portable short-throat flume

由图5可以看出，自由出流工况下的佛汝德数沿程增大，淹没出流工况下佛汝德数整体上成类似关于喉口段末断面的正态分布。量水槽进口段的佛汝德数小于0.5，满足测流规范要求[17-18]；在喉口段佛汝德数沿程增大，水流由缓流（Fr＜1）转变至急流（Fr＞1），淹没出流工况下临界流（Fr=1）产生位置比自由出流工况下更靠下游方向；在出口段自由出流与淹没出流工况下的佛汝德数有不同的趋势，自由出流工况下佛汝德数继续增长，淹没出流工况下佛汝德数减小且最终小于1。

2.3流速分布

流速是反映过槽水流水力特性和运动规律的重要元素。以流量为14.06 L/s自由出流、流量为12.33 L/s淹没出流工况下的流速分布为例（图6），在量水槽进口段流速较小，流速变化曲线曲率较小，流速增幅不大；在接近量水槽喉口段的部分以及喉口段内由于受到喉道侧收缩的影响流速急剧上升，流速变化曲线曲率较大，流速增幅较大；在量水槽喉口段与出口段连接的部分流速增幅减小，增长至某一值后存在一段停滞区域停止增大；在量水槽出口段自由出流工况下流速继续增大，淹没出流工况下流速急剧下降且降幅较大。

图6　流速沿程变化图Fig.6　Development of velocity along flume

2.4流量公式与测流精度

简明实用的流量公式及较高的量水精度是衡量量水设备优劣的重要技术指标。量水槽通过使过槽水流产生临界水深而达到最佳测量效果，此时流量只需通过测量上游水深便可得到，淹没出流工况下还需对过槽水流的淹没度S（下游水深比上游水深之值）进行测量才能准确进行率定。在田间便携式短喉槽水工模型试验[4]中，依据试验测得数据分析量水槽上游各断面（1～5断面）水深与流量的关系可得量水槽3断面水深与流量的相关性较高，复相关系数R2为0.9859，故选定3断面水深为上游水深计算值来测定流量。在本研究的数值模拟中，依据数值模拟所得数据，分析量水槽上游进口段（距离量水槽进口0～406 mm）内每相隔20 mm断面水深与流量的关系，以期找到比3断面更为准确的最佳上游断面位置。图7为上游进口段内每相隔20 mm断面水深与流量的复相关系数沿程变化规律图，由图可知，复相关系数较高的位置在距量水槽进口220 mm处（即3断面下游17 mm处），考虑到实际应用中的可操作性与可行性，仍选定3断面为上游水深计算值的参考断面。

图7　进口段断面水深与流量的复相关系数沿程变化规律Fig.7 Multiple correlation coefficient variation of depth versus discharge along flow of entrance section

间便携式短喉槽在自由出流时流量主要与上游水深有关，基于数值模拟结果，通过回归分析建立了具有量纲和谐性的流量与上游水深（3断面）的关系式，自由出流工况下的流量公式如式（5），淹没出流工况下的流量公式如式（6）。

式中Q为流量，L/s；h为量水槽进口段3断面处的水深，mm；S=h下/h上为无量纲淹没度；h上为量水槽首断面（1断面）的水深，mm，h下为量水槽末断面（11断面）的水深，mm。式（5）所得计算流量与实测流量的平均相对误差为−0.11%，最大相对误差为−5.63%；式（6）所得计算流量与实测流量的平均相对误差为−0.001%，最大相对误差为−3.87%，满足田间特设量水设备量水精度要求（<10%）。为分析比较数值模拟结果与水工模型试验结果的准确性（见表2），给出由水工模型试验结果拟合得到的流量计算公式[4]，自由出流工况下的流量公式如式（7），淹没出流工况下的流量公式如式（8）。

表2结果表明，数值模拟结果、水工模型试验结果拟合得到的流量公式计算流量与实测流量的误差均控制在10%以内，能够满足灌区田间特设量水设备量水精度不超过10%的要求[1]。自由出流工况下，数值模拟结果拟合得到的流量公式相关系数R2为0.9934，高于水工模型试验数据拟合得到的流量公式相关系数（R2=0.9859）；淹没出流工况下，数值模拟计算结果误差整体上比水工模型试验计算结果小。由此得知，数值模拟方法得到的计算结果不仅符合实际工况，而且计算结果精度较高。因此，数值模拟方法可以在一定范围内补充试验结果，增加试验处理水平，减少模型试验次数和人力、物力消耗。

表2　流量、水头损失的数值模拟值与水工试验值对比Table 2　Comparison of discharge and head loss by simulated and measured values

2.5水头损失分析

由于实际液体存在黏滞性，为了计算流经喉槽的实际流量，水流流经量水槽时因摩擦、收缩而引起的水头损失是必须考虑在内的。对于喉口宽度小于22.86 m的短喉槽，水头损失较小，可以用上、下游测量水头差近似代替[1]，故试验选取便携式短喉槽进口段首断面和出口段末断面为上、下游水头控制断面，计算断面总水头=Z+p/γ+v2/2g（Z为位置水头，m；p/γ为压力水头，m；p为压强，Pa；γ为容重，kg/m3；v2/2g为速度水头，m；v为流速，m/s；g为重力加速度，m/s2）。上、下游控制断面总水头之差为该量水槽的水头损失hw（表2）。由表2可知，各工况下水工试验测得水头损失结果与数值模拟计算结果的相对误差均在10%以内，自由出流工况下最大相对误差为6.67%，淹没出流工况下最大相对误差为7.89%，从而证明了数值模拟方法的可靠性与有效性。结合水工试验[4]与数值模拟的结果，得到自由出流工况下最小水头损失占上游总水头的6.70%，最大水头损失占上游总水头的8.07%，水头损失主要集中在0.06～0.08倍总水头之间；淹没出流工况下最小水头损失占上游总水头的7.87%，最大水头损失占上游总水头的12.10%，水头损失主要集中在0.08～0.11倍总水头之间，2种工况下水头损失占上游总水头值均小于长喉道量水槽的13%[19-20]，故该量水槽与长喉道量水槽相比水头损失较小，可以应用于灌区允许水头损失小的灌区量水。

3　讨　论

本研究采用的RNG k-ε三维湍流模型相较于标准k-ε通过修正湍动黏度、考虑主流的时均应变率，从而可以更好地处理高应变率及流向弯曲程度较大的流动。FLOW-3D软件中采用的TruVOF方法相较于传统的VOF方法很大程度上减少了模型收敛所需的时间，对自由液面的描述更加准确，为解决水力学问题提供了更高的精度和效率。网格划分所采用的Favor技术是运用有限差分法，根据单元中没有被计算对象占据的面积以及体积的比例来模拟复杂形状，能够以较少数量六面体网格单元来消除和顺滑不平整区域，使建立起来的网格模型不会失真。本文采用FLOW-3D软件，在田间便携式短喉槽[4]水工模型试验结果的基础上通过数值模拟方法进行了水力性能研究，模拟值与实测值的误差控制在10%以内，满足灌区田间进水口量水精度要求，表明本研究建立的数学模型、采用的数值模拟方法以及各项参数设置均可靠。在水力性能细节分析上，数值模拟方法相较于传统的水工模型试验有优势，尤其在水工建筑物的体型比选、体型优化、水力性能预测方面，这将大大简化体型设计、优化等工作和难度，也能达到较好的设计、优化效果。

4　结　论

根据中国灌区田间灌溉的实际情况，采用数值模拟的方法，并结合水工模型试验数据系统研究了田间便携式短喉槽的水力特性，主要研究结果如下：

1）选用TruVOF方法和Favor技术相结合的湍流数学模型，采用FLOW-3D软件对田间便携式短喉槽过槽水流进行三维数值模拟，并结合水工模型试验对模拟结果的各项参数指标进行对比验证。结果表明二者所得结果较为一致，为进一步采用该数值模拟方法研究中国北方灌区末级渠系量水设备及其过槽水流水力特性问题提供了一定的参考和依据。

2）由18种工况下田间便携式短喉槽模拟值与实测值的对比结果可知，二者所得流场分布一致，水深的变化模拟值与实测值非常吻合，其最大相对误差为9.56%，表明建立的数学模型、采用的数值模拟方法以及各项参数设置是可靠的。

3）通过对佛汝德数、流速模拟值分析可知，佛汝德数、流速在自由出流工况下均沿程增大，在淹没出流工况下先增大后减小，并由佛汝德数沿程分布规律分析可知临界水深断面的位置位于喉口段内后半段部分，且在淹没出流条件下临界水深断面位置在喉口段内更偏向下游方向。

40年来，在党中央坚强领导下，山东省委、省政府团结带领全省人民高举中国特色社会主义伟大旗帜，解放思想、开拓创新，深化改革、扩大开放，经济社会发展取得历史性成就、发生历史性变化，人民生活水平大幅提高，齐鲁大地处处焕发勃勃生机。

4）通过数值模拟方法建立了不同出流条件下量水槽上游水深与过槽流量的测流经验公式，并与水工模型试验数据进行对比分析，得到数值模拟方法所得计算结果不仅符合实际工况，而且计算结果精度较高。该流量公式形式简单、具有量纲和谐性，自由出流条件下的流量公式计算值与实测值平均相对误差仅为−0.11%，最大相对误差为−5.63%，淹没出流条件下的流量公式平均相对误差为−0.001%，最大相对误差为−3.87%，误差均在10%以内，可以满足灌区量水设备的测流精度要求。

5）通过对量水槽水头损失的分析得知，该量水槽自由出流条件下的槽内水头损失比淹没出流条件下的小，最小水头损失为总水头的6.70%，最大水头损失为总水头的12.10%，水头损失主要集中在0.06～0.11倍总水头之间，由此可知该量水槽水头损失相比于长喉道量水槽较小，可以应用于灌区允许水头损失小的灌区量水。

灌溉经验表明在中国北方灌区在地面灌溉条件下，末级渠道的流量范围一般在10～50 L/s。田间便携式短喉槽单槽量程为6～20 L/s，双槽（双槽入口平齐，中轴线平行并排放置于田间进水口，中轴线间距230～250 mm）量程可达36 L/s，量测范围基本可以满足灌区田间进水口水量计量的要求，对于此类较大规格尺寸短喉槽的研究开发以满足灌区田间较大流量的灌溉要求，尚待进一步深入研发。

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Numerical simulation of hydraulic performance for portable short-throat flume in field based on FLOW-3D

Xiao Yizhou, Wang Wen’e※, Hu Xiaotao
(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

Abstract:Improvement of water management can encourage conservation and make best use of our limited water resources. The measurement of flow rates is an important element of water management. Many devices and structure have been developed for the measuring discharge but measuring flume is one of the most accepted and used structure. According to the practical situation of irrigated areas in northern China, use of portable short-throat flume in field to measure the discharge of water inlet in the field is an emerging technique developed for water discharge measurement of inlet in the field, which contributes to control of irrigation water consumption and water conservation. Based on FLOW-3D software in this study, RNG k-ε three-dimensional turbulence model, TruVOF technique and FAVOR (fractional area volume obstacle representation) method were employed to simulate three-dimension flow field in portable short-throat flume in field with a 51 mm width throat under 18 working conditions. Experimental results about portable short-throat flume in field were also obtained based on a new test to validate the simulation results. It verified discharge capacity of the flume. The parameter settings and boundary conditions used in the CFD models provided an efficient approach for simulation of the flow through portable short-throat flume in field. Combined with hydraulic experiments, hydraulic performance was obtained from simulation analyses on water surface profiles, Froude number, velocity distribution and head loss. Comparison between experiments and simulations showed that measured and simulated flow capacity, flow field and flow depth have a good consistency, and relative errors were less than 10%, and gave a solid agreement between experimental and numerical simulation results. Hence, it can be used to simulate flow state of portable short-throat flume in field effectively and visually. On the basis of reliable numerical simulated consequents, analyses of hydraulic performances in detail were carried out. The simulation results showed that both Froude number and velocity accelerated along the flume with free flow condition, and in submerged flow condition increased at first and then decreased. The cross-section of critical depth was located at throat section by Froude number analyses. The flow surface profile in throat section of portable short-throat flume in field was highly curvilinear in both free and submerged outflow working conditions as the flow accelerated from the subcritical regime to the supercritical regime. Equations of upstream depth versus discharge under free and submerged outflow working conditions were fitted by regression analyses, respectively. The maximum relative error between measured discharge and calculated discharge by equations was -5.63%, which met the requirements of water measurement for irrigation. Further, maximum head loss of portable short-throat flume with a flat base for the field accounted for 12.10% of total upstream head. Compared with long-throat flume, the head loss of portable short-throat flume in field was less. The three-dimensional turbulence model along with the TruVOF technique allowed one to reproduce the hydraulic characteristics of flow through portable short-throat flume in field. Due to shorter time demand and lower cost of numerical simulations compared to experimental studies in predicting the hydraulic characteristics, simulation of the portable short-throat flume in field flows based on a properly validated model provided the flow characteristics of these flumes for various flow configurations encountered in the field. This study provides a reference for flow-measurement of final stage of canal in irrigation areas in North China.

Keywords:waterworks; Froude number; velocity; head loss; portable short-throat flume; numerical simulation

基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503125）；国家自然科学基金项目（51179163）；国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAD29B01）。

作者简介：肖苡辀，女，湖南湘潭人，主要从事工程水力学研究。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：vivianshaw1117@163.com※通信作者：王文娥，女，河南孟县人，副教授，博士，主要从事流体机械及排灌设备等研究。杨凌西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：wangwene@nwsuaf.edu.cn

收稿日期：2015-07-07

修订日期：2015-12-04

中图分类号：S274.4

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0055-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.009