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抛物线形量水槽在U形渠道中使用时有过流能力强、水头损失小、低水位时测流精度高、结构简单等优点。但在缓坡渠道中使用时,要求在施工安装的时候操平槽底,这不但增加了施工难度,并且在量水槽前后形成跌坎,造成水头损失。本文采用VOF (volume of fluid)模型模拟了抛物线形量水槽、巴歇尔量水槽和长喉道量水槽过流时的三维流场,并采用实验结果验证了数值模拟的可靠性。计算了巴歇尔量水槽,长喉道量水槽和抛物线形量水槽的各种典型断面的速度分布和湍动能耗散,首次定量分析了3种量水建筑物运行时造成的水头损失。分析结果表明,抛物线形量水槽在U形渠道内测量流量时导致的水头损失仅为巴歇尔量水槽的30%,为长喉道量水槽的35%,更加适合用于U形渠道的流量测量；采用数值模拟和理论推导相结合的方法,得出了适用于坡度范围在1/1000～1/100渠道的抛物线形量水槽流量计算公式,并验证了其测流精度,该公式拓展了抛物线形量水槽的坡度适用范围。琴键堰在增强溢洪道泄流能力方面有明显优势,和传统的薄壁堰、实用堰相比,在相同工况下琴键堰最多可以提供4倍的泄流能力。然而,随着上游水头的提升,琴键堰泄流能力强的优势逐渐减弱。本文采用VOF模型模拟了琴键堰运行时的三维流场,采用Lemperiere的实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。在此基础上,深入分析了琴键堰在不同上游水头工况的流态,从流体力学角度揭示了导致琴键堰泄流效率随着上游水头的升高而减小的机理：进水宫室内主流流速会对侧堰过堰水流的流速方向产生影响,从而减少侧堰的过堰流量；进水宫室中产生的临界流断面、过堰水流的相互干扰以及进水宫室入口处的水头损失也是造成琴键堰总体泄流效率下降的重要因素。通过对25种不同几何结构的琴键堰进行的正交数值试验,确定了影响琴键堰泄流效率的主要几何参数,并针对这些几何参数,进行了数值仿真计算和理论分析,推导了新的琴键堰的流量计算公式,并对流量计算公式的精度进行了验证；结合琴键堰泄流效率变化的机理和本文推导的流量计算公式,提出了琴键堰的优化设计方法,为琴键堰的设计和工程应用提供了可靠的理论依据。