矩形薄壁堰贴壁流水力学特性的试验研究

彭儒武，张 昕，彭英慧

(1.山东农业大学，山东泰安 271018;2.中国农业大学，北京 100193;3.山东水利职业学院，山东日照 276826)

矩形薄壁堰贴壁流水力学特性的试验研究

彭儒武1，张 昕2，彭英慧3

(1.山东农业大学，山东泰安 271018;2.中国农业大学，北京 100193;3.山东水利职业学院，山东日照 276826)

矩形薄壁堰在堰上起始水流稳定且小流量的情况下，易形成贴壁堰流现象.应用水力学的方法，对矩形薄壁堰贴壁流水力学特性进行了深入的试验研究.通过研究发现:贴壁流的水面曲线与自由流的水面曲线差别很大;贴壁流水头与流量之间存在着稳定的关系，并拟合出了贴壁流的流量公式;贴壁流的过流能力比自由流大;贴壁流的临界水头为H贴临=4.99～5.05 cm.与自由流相同，矩形薄壁堰贴壁流的水力学特性稳定而且规律.

矩形薄壁堰;贴壁堰流;试验研究;水头;流量

2001年5月，笔者给青岛市铁山水库做溢洪道模型试验，在量测库水位－泄量关系时(用矩形薄壁堰量测放水流量，也以此作为水库的泄水流量)，发现放水流量由小到大测出的库水位值与放水流量由大到小测出的库水位值不一致.其原因是:当堰上起始水流稳定(流量由小逐渐增大)，小流量时的矩形薄壁堰流往往不能形成挑流的水舌形状，而易形成贴附堰壁溢流，简称为贴壁堰流.为此，笔者对矩形薄壁堰贴壁流现象进行了较为系统的试验研究，对贴壁流的水力学特性进行了较为深入的分析和探讨.

1 试验设计

该研究使用了山东农业大学的水利实验室.该实验室有一矩形薄壁堰，该薄壁堰经常使用，堰板材料为塑料板，厚度2 cm，堰板表面光滑平整.强度符合要求，在最大水头下堰板不弯曲变形，堰板的制作、安装符合有关规程要求［1－2］.堰槽高度 C=A=2.6 m，堰及渠槽宽度 b=B=0.765 m，堰槽总长度L=7.0 m，量测段长度 L1=4.9 m，稳水段长度 Ls=0.7 m，供水段长度 L2=1.4 m，尾水段长度 l=0.6 m，堰高 P=0.698 m.在堰板上游1.4 m 处设置水位测针.试验所使用的矩形薄壁堰的各项尺寸符合有关规程要求.

2 试验观测

2.1 贴壁流临界水头及贴壁流现象试验观测

为找出贴壁流到正常自由堰流的临界水头H贴临的大小，做了15组试验.每组试验的初始流量为小流量，待堰上水流平稳后观测水位测针的读数，然后控制闸阀使流量平稳地增加.估计过堰水流快要脱离堰壁时，流量增加的幅度要尽量小.一般是每增加一次流量，堰上水位测针读数的增加幅度不应大于0.5 mm.直到贴壁流脱离堰壁为止，记录脱壁前一次水位测针读数.重复上述试验15次.得到贴壁流临界水头值为:H贴临=4.99～5.05 cm.

由试验观测可知:矩形薄壁堰在贴壁流时，堰前及堰顶处的水流平稳、光滑，水流在堰顶处微微向外突出，堰后水流紧贴堰壁下泄.在小流量低水头(一般水头H贴＜4.40 cm)时，附贴在堰板后面的水流是平稳光滑的.随着水头的增大，附贴在堰板后面的水流不再光滑.贴壁水流即将脱壁时，堰顶及堰后的贴壁水流不稳定并伴有波动声，时间不长，约几秒钟，水流脱离堰壁，形成正常的自由堰流.

当贴壁水头较小时(一般水头H贴＜4.40 cm)，水流紧贴堰壁，堰板后的通气孔不起作用.试验时，把软管固定到堰板的后壁上，用气筒向管内打气，贴壁流也不会脱开.这说明堰板后的通气孔对初始就贴壁的过堰水流不起作用.它的作用只是向正常堰流的水舌下面补充空气，避免水舌下面的空气被水流带走，影响水舌的稳定.水舌不稳定，过堰的流量也不稳定.

当供水的起始流量为大流量时，薄壁堰流是正常的自由流.操纵闸阀，使放水流量逐渐减小，当正常自由堰流的水头值降至1.25 cm左右时，过堰水流才贴壁.

必须指出的是，试验时的室内温度为30℃，水温为25℃.

2.2 贴壁流水面曲线的试验观测

2.2.1 试验方法及数据

在堰渠顶部观测不同流量情况下5处测点(①堰顶处，②堰上H处，③堰上2H处，④堰上3H处，⑤堰上5H处)的水面测针读数.水位测针在水面上的读数与堰顶上的读数之差，就是水流在各测点处的水头值，它直观地反映了水面的降落情况.贴壁流情况下的试验做完后，不改变流量，在堰上不远处用一块木板在水中用力一划，给过堰水流一个推力，水流在这个外加推力的作用下，会脱离堰壁，形成正常的自由堰流，待水流稳定后，作同样的试验观测.为了准确，重复做了15组上述试验，选择5组流量间隔基本相同的试验数据列于表1和表2中.

表1 贴壁流时堰上各测点的堰上水头

表2 自由流时堰上各测点的堰上水头

2.2.2 水面线分析

为了更好地分析、比较贴壁流和自由流的水面线形状，将表1及表2的试验数据做进一步整理.把堰上5H处的水头值作为堰上水头值，将此水头分别与堰顶处、堰上H处、堰上2H处、堰上3H处的水头进行比较.如流量Q=6.86 L/s时，贴壁流的堰上水头H贴=2.49 cm，堰顶处的水头为1.77 cm，则堰顶处的水位降落了0.72 cm，即0.289H贴，把其他测点处的水位降落值也计算出来.同样，把其他流量各测点的水位降幅都计算出来.贴壁流与自由流时的计算结果分别列于表3和表4中.

表3 贴壁流时堰上各测点的水位降幅

表4 自由流时堰上各测点的水位降幅

由表3可知，贴壁堰流的水面曲线与正常堰流的水面曲线不同，其水位在堰上3H处下降了0.005H，在堰上2H 处下降了0.027H，在堰上 H 处下降了0.089H，堰顶处下降了0.273H，过堰后水流贴着堰壁下泄，水面在堰顶的锐缘外侧微微向外凸，之后紧贴堰壁下泄.

由表4可知，矩形薄壁堰自由出流的水面曲线形状，与文献［3－4］中的薄壁堰自由出流的水面线形状基本相同.堰上水头缓慢下降，堰上3H处下降了0.005H，堰上2H处下降了0.014H，堰上H处下降了0.047H，堰顶上沿处下降了0.171H.堰后有一段渐变流水舌.

2.3 贴壁流水头H贴与流量Q关系的试验

2.3.1 试验方法和步骤

用水泵给平水塔供水，待平水塔溢流时，打开实验系统供水管道的闸阀，以小流量开始给堰渠供水，使之成为贴壁堰流;待渠道中的水流稳定后，观测堰上的水位测针读数，此读数与水位测针在堰顶处的读数之差即为当前流量下贴壁流的水头H贴;不改变流量，用木板在堰上水流中用力一划，使过堰水流形成正常的自由流，待渠道中的水流平稳后，观测自由堰流的水位测针读数，此读数与水位测针在堰顶处的读数之差就是自由堰流时的水头值H.重新打开闸阀，改变流量大小，重复上述试验.

2.3.2 试验数据及计算

(1)以某一指标cy为基准(y=1,2,,N)，组织专家{e1,,et,,eT}利用语言集SRIL(如式(10))对其他指标进行两两比较，构造偏好矩阵，见式(11)；

共做了30组贴壁流及自由流的水头与流量关系的试验.限于篇幅，表5仅记录了8个流量间隔基本相同的试验数据及计算数据.表中的流量Q值，是根据自由堰流的水头值H，用流量公式

和雷伯克流量系数公式

计算得出来的.雷伯克公式在小流量时计算结果较为精确.

表5 自由堰流和贴壁堰流的堰上水位测针读数及水头、流量计算结果

2.3.3 点绘H－Q关系曲线

由表5中的数据，以流量Q为横坐标，以水头H为纵坐标，分别绘制自由流和贴壁流的H－Q关系曲线，如图1所示.由图1可知，矩形薄壁堰自由流和贴壁流时都有非常稳定的水位－流量关系，点绘的曲线光滑，曲线的形状和走向稳定.

图1 矩形薄壁堰自由流及贴壁流的H－Q关系曲线

3 试验分析

3.1 贴壁流与自由流的比较

1)当流量相同时，由前面的试验数据可以计算出，矩形薄壁堰贴壁堰流的水头要比自由堰流的水头小14% ～16%，平均小15.2%.

2)当堰上水头相同时，矩形薄壁堰贴壁流的流量比自由堰流的流量大20.8% ～22.4%，平均大21.82%.其中水头H=2.16 cm的流量值应该去掉，因为矩形薄壁堰自由出流情况下，流量公式的适用条件之一是:堰上水头 H≥2.5 cm［2，4］，水头 H=2.16 cm不在流量公式的适用范围之内，用它计算出来的流量值不是真实的过堰流量.

3.2 贴壁流流量公式

3.2.1 贴壁流流量公式的拟合

式中:Q为流量，L/s;H为贴壁水头，cm;m为流量系数;b为堰宽，cm.

令C=mb，则式(1)变为

根据表5中贴壁水头与流量的数据，用最小二乘法拟合矩形薄壁堰贴壁流时的流量公式为

3.2.2 贴壁流流量公式的相关性分析

由相关系数公式

计算得r=0.999 5.远大于查相关系数显著性检查表所得的0.834［5］，说明拟合公式的精度很高.

3.3 水流贴壁的原因

矩形薄壁堰能够形成贴壁流，且贴壁流能够在一定的水头范围内不脱壁形成自由流，可从以下几个方面分析其原因.

1)水流的惯性力是影响水舌是否贴壁的一个主要因素.在小流量时，过堰水流的流速很小，其惯性力也很小，所以小流量时的惯性力不足以使水流脱壁.

2)水的表面张力是指向水体内部的作用力，它是使水流贴壁的力.小流量时，过堰的水流在表面张力和水与堰板界面张力［6－7］的作用下附贴堰壁下泄;表面张力和水与堰板的界面张力与水的温度有关，它不随流量的增加而增加.

4 结语

从查阅资料的情况看，目前对矩形薄壁堰贴壁堰流进行深入系统的试验研究还比较缺乏.笔者通过试验研究和理论分析，达到了预期的研究目的，取得了初步的研究成果.

［1］华东水利学院.模型试验量测技术［M］.北京:水利电力出版社，1984.

［2］南京水利水电科学研究院.水工模型试验［M］.北京:水利电力出版社，1985.

［3］赵振兴，何建京.水力学［M］.北京:人民教育出版社，2005.

［4］吴持恭.水力学［M］.北京:高等教育出版社，1988.

［5］王能超.数值分析简明教程［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［6］夏毓常，张黎明.水工水力学原型观测与模型试验［M］.北京:中国电力出版社，1999.

［7］王仲发.水工模型试验中薄壁堰缩尺效应分析［J］.山东农业大学学报，2002(4):499－502.

Experimental Research on Hydraulic Characteristics of Wall Pressing Flow for Rectangle Sharp-crested Weir

PENG Ru-wu1，ZHANG Xin2，PENG Ying-hui3
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China;2.College of Water Conservancy and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100193 China;3.Shandong Water Polytechnic，Rizhao 276826，China)

A phenomenon of wall pressing weir flow is easy to occur when the water freely flows through the rectangle thin-wall weir with an initial stable and small flow rate.The experiments on measuring hydraulic characteristics of wall pressing weir flow were carried out with rectangle thin-wall weirs.The results show that the water surface curve of wall pressing weir flow has a great difference with free weir flow，there is a steady relation between the water head of wall pressing flow and the discharge，which can be expressed as a fitting formula，the flow capacity of wall pressing flow is bigger than that of free weir flow，and the critical head of wall pressing flow is from 4.99 cm to 5.05 cm.Similar to the free flow，the hydraulic characteristics of wall pressing weir flow is stable and regular.

rectangle sharp-crested weir;wall pressing weir flow;experimental research;water head;discharge

1002－5634(2012)03－0023－04

2012－03－09

山东省高等学校实验技术研究项目.

彭儒武(1962—)，男，山东莱芜人，高级实验师，硕士，主要从事水工模型试验方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)