分析水闸开启过程中瞬时流量的进化机制

《Flow Measurement and Instrumentation》：Analysis of the evolutionary mechanism of instantaneous flow rates during the sluice gate opening process

　　•开发了一种实验装置来模拟水库闸门开启的过程。
•研究了水位和闸门操作对流速的影响。
•将瞬时流速的变化过程分为三个不同的阶段。
•揭示了瞬时流速变化的机制。

引言
作为水力工程、供水工程、污水处理工程和环境工程中广泛使用的流量控制装置，闸门的主要功能是精确调节流速、控制水位以及管理水资源输送和分配系统（Duy等人，2025；Meng等人，2025；Singh等人，2025）。在闸门操作和维护过程中，流速被认为是最重要的水力参数（Azma等人，2025；Cao等人，2025）。精确的流量测量不仅直接影响生产成本，还与生产能力、产品质量、作物生长状况甚至公共安全密切相关（Guo等人，2021；Kim和Woo，2023；Wu等人，2020）。在闸门开启过程中，流速模式会频繁变化，流速、闸门开启程度和水位之间存在高度非线性且随时间变化的关系（Bocko等人，2023；Cozzolino等人，2023）。这种瞬时流量的非线性增加了下游渠道发生涌浪、侵蚀和潜在堤坝破坏的风险，从而对水力工程项目的安全性和运行效率构成了重大挑战。
近年来，关于闸门水力特性的研究十分广泛。然而，大多数研究都集中在稳态条件下的流量测量方法和排放系数计算模型上（Cang等人，2024；Guo等人，2021）。Henry（1950）全面阐述了平闸在自由流和淹没流条件下的流量计算模型，为后续研究奠定了基础。在此基础上，许多学者通过物理实验和数值模拟深入探讨了闸门槽几何形状、底部门槛配置以及进水条件等因素对排放系数的影响。因此，形成了大量的经验公式和半经验公式（Hashem等人，2024；Salmasi和Abraham，2021）。Ferro（2000）利用π定理和不完全自相似性理论推导出了平闸流量的无量纲关系。Salmasi等人（2019）研究了闸门流道几何形状（包括圆形、半圆形、三角形、矩形和梯形底部轮廓）、上下游坡度以及河床高度对自由流排放系数的影响，并应用随机森林（RF）、深度学习（DL）、梯度提升机（GBM）和广义线性模型（GLM）等预测模型进行系数估计（Ghorbani等人，2020）。后续研究进一步考察了闸门倾斜角度的影响，使用高斯过程回归（GP）、支持向量机（SVM）、人工神经网络（ANN）、广义回归神经网络（GRNN）、随机森林回归和随机树（RT）等方法开发了预测模型（Salmasi和Abraham，2020；Salmasi等人，2021, 2022）。此外，还采用非线性回归方法建立了自由流和淹没流条件下的水头损失预测模型（Salmasi和Abraham，2022；2023）。Liu等人（2025）全面考虑了截面收缩、速度均匀性和能量损失的影响，开发了自由流和淹没流条件下的流量模型，并通过实验数据进行了验证。然而值得注意的是，这些研究大多基于闸门固定开启和流动稳定的假设。相比之下，对于动态闸门开启相关的非稳态瞬变过程关注较少。
闸门的动态开启过程是一个典型的非稳态流动问题。在此过程中，瞬时流量的演变受到惯性力、重力和粘性力等多种力的耦合影响，导致其内部机制极其复杂（Li等人，2023；Zhang等人，2025）。当直接使用传统的稳态模型来预测此类动态过程时，可能会出现显著差异，因为这些模型无法考虑流动加速过程中的惯性效应和能量损耗。目前对这一瞬变过程的研究主要依赖于物理实验和计算流体动力学（CFD）技术（Takagi和Furukawa，2021；Zhang等人，2025）。Qi等人（2025）采用实验方法研究了新型三板式垂直旋转闸门的稳态和瞬态水力特性，阐明了闸门开启和开启速度对流速的影响。同样，Bo等人（2024）通过物理实验研究了闸门开启速度对溃坝洪水峰值流速及达到峰值时间的影响。通过测量和分析水力参数的物理模型实验可以有效地捕捉复杂现象并提供可靠数据，这对于解决具体的水力设计和工程挑战非常有价值。然而，这些方法通常成本较高、耗时较长，并且难以在所有尺度条件下进行全面覆盖。此外，现有的瞬态水力参数监测设备在测量精度和频率方面往往无法满足要求，这限制了其广泛应用和可扩展性。
计算流体动力学（CFD）方法因其能够提供整个流场的全面信息而受到认可。随着湍流模型理论基础和计算方法的进步，数值模拟技术已被广泛用于闸门结构中复杂流动的研究（Erduran等人，2024；Meng等人，2022）。闸门开启过程的模拟通常通过动态网格技术的应用来实现（English等人，2022；Ozmen-Cagatay等人，2022）。An等人（2024）开发了一种准确高效的数值模型，用于模拟闸门升降过程中的气体/液体/固体相互作用，并通过自由表面轮廓、波前位置和水柱高度等实验数据进行了验证。Sanchez-Mondragon等人（2023）使用MPS方法建立了由闸门开启引起的溃坝的数值模型，并分析了闸门开启速度对波浪生成和传播的影响。然而，现有的闸门开启过程数值模拟主要集中在溃坝相关现象上，而对水库运行中的闸门开启过程关注较少。此外，许多研究局限于特定项目或特定工作条件，导致影响因素的系统分析不足。因此，迄今为止尚未完全建立瞬时流量与其影响因素之间的全面关联。
总之，大多数关于闸门水力性能的研究是在稳态流动条件下进行的，闸门开启固定，主要关注排放系数与结构几何参数之间的相关性。仅有少量研究探讨了瞬时闸门开启过程，但这些工作主要集中在溃坝时的洪水排放特性上。它们缺乏对常规水库运行过程中闸门水动力行为在逐渐变化和快速变化条件下的系统分析。此外，大多数瞬态流动研究仅依赖于物理模型实验或数值模拟之一。很少有学者系统地探讨了上下游水位和最终闸门开启对瞬态流动特性的耦合影响，也未阐明控制瞬时流量变化的压强-速度耦合机制。因此，本研究的目的是分析闸门开启过程中瞬时流量的演变机制。通过结合物理实验和数值模拟，系统地研究了h1、h3等参数以及UGate对瞬时流速的影响，并通过速度场和压力场揭示了流动演变的内在机制。本文的组织结构如下：第2节介绍了实验和数值模拟方案；第3节分析了瞬时流速的演变特征；第4节阐述了影响瞬时流速变化的直接因素；第5节揭示了瞬时流速变化的根本原因；第6节总结了本研究的主要发现。

实验装置
本研究重点关注与水库闸门开启相关的瞬态过程，旨在阐明瞬时流量的演变特性并建立相应的预测模型。为此，构建了一个模拟闸门开启过程的实验装置，如图1(a)所示。该实验装置包括水库模拟系统、河流模拟系统、闸门操作系统和数据监测系统。

上游水位
为了分析h1对闸门开启过程中瞬时流速的影响，选择了三种典型的工作条件TK-1-3-3、TK-2-3-3和TK-3-3-3进行深入研究。在这些条件下，h3保持在0.4米，eter固定为0.3米，而h1分别设置为1.0米、0.8米和0.6米。
图5(a)-(c)显示了单位宽度（qt）随时间（t）的瞬时流速变化。观察到qt迅速增加，并达到...

闸门开启时的TK-2-2-2-1/3/5工作条件下的横向速度等值线图，用于表征闸门附近区域的速度分布演变特征，如图9所示。在闸门开启的初期阶段（et = 0.05米），当UGate值为0.1米/秒和0.5米/秒时，检测到明显的 velocidade增加。相反，在UGate值为2.0米/秒时，未观察到显著的速度增加。

压力和流线分布特征
为了进一步研究闸门开启过程中瞬时流量变化背后的物理机制，图21展示了闸门开启过程中的压力和流线分布。
在UGate = 0.1米/秒的条件下，整个开启过程中，流线模式和压力分布与稳态流场高度一致。未检测到明显的回流、涡流或强湍流。

结论
首先，通过物理实验方法系统地研究了h1、h3、eter和UGate对瞬时流速的影响。随后，利用数值模拟方法分析了闸门开启附近的速度场和压力场，以阐明观察到的流量变化模式的直接和根本原因。主要结论如下：
(1)...

作者贡献声明
Wu Quanlin：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据整理。
Liu Yanshun：撰写 – 原始草稿、方法论、调查、形式分析。
Guo Deyu：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。
Wu Quansen：撰写 – 审稿与编辑、项目管理。

未引用参考文献
Azad和He，2025；Bo等人，2024；Guo等人，2021；Hashem等人，2025；Huang等人，2021；Lee和Kam，2023；Tran等人，2024；Xu等人，2025；Zhang等人，2025。

数据声明
本研究中生成和/或分析的数据集可根据合理请求向相应的作者索取。

科学写作中生成AI的声明
在准备本工作时，作者未使用生成式人工智能（AI）和AI辅助技术。

利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到了山东省自然科学基金[授权号ZR2026QC1487]、山东省高等学校青年创新创业项目[授权号2022KJ101]和济宁大学研究创新团队[授权号24KCTD12]的支持。

Liu Yanshun | Guo Deyu | Wu Quansen | Wu Quanlin