大扩散角明渠中导流三角翼体形优化试验

王二平 张世安 王俊

摘 要：大扩散角明渠中为抑制水流与边界分离，采用潜没式三角翼调控水流呈大扩散角流动，存在三角翼分流作用偏大、翼后出现局部回流区等问题，影响水流均衡过渡与平顺连接。通过调整三角翼两翼长度和在三角翼底部设置配流孔等措施对其进行优化，并开展模型试验，试验结果表明：扩散段单侧扩散角为30°、来流为缓流、三角翼潜没度为1.30～1.90时，适当减小两翼长度，可改善扩散段下游过流断面动量分布，相对翼长η=0.32时效果相对较好;三角翼底部设置配流孔过流，可减小翼后回流区，降低涡旋阻力，提高扩散段过流能力，实现过流断面动量均化;三角翼过流率ω为15.38%时，平顺水流效果较好。

关键词：大扩散角明渠;三角翼;翼长;配流孔

中图分类号：TV133.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.018

Abstract：A submerged triangle wing， which is used to control the flow in the open channel with a large diffusion angle， has existed problems including too large resultant diversion flow rates and local backflow areas by the wing used in the previous study. In order to resolve the problems， the authors proposed to reduce the length of the wing and set the fluidic orifice at the bottom of the wing. Physical hydraulic experiments of three different wing lengths show that a shorter wing length， η being of 0.32 is found to have the best performance for incoming subcritical flow， diffusion angle of 30° and triangle wing submersion degree of 1.30-1.90. Further experiments of three orifices on the short wing selected show the orifice of a diversion rate （ω） of 15.38% can make a best performance in decreasing the backflow area， reducing the vortex resistance， increasing the flow capacity of the diffusion section and at the same time making an relatively even momentum distribution. On the condition of a safe triangle wing， increased diversion rate is found to improve the effects of controlling the flow states.

Key words： large diffusion-angle open channel; triangle wing; wing length; distribution hole

在工程设计中，对于明渠扩散段，要求扩散角一般不超过水流的自然扩散角[1-2]，否则将出现水流与边界脱离，形成侧壁回流、偏流等不良流态。在实际工程中，受空间场地的限制，输水明渠不得不采用大扩散角过渡段进行渠段间衔接过渡时，为抑制可能出现的边界层分离现象，避免产生不良流态，有必要采取工程措施，对扩散段水流进行调控，保障渠道安全运行。

研究表明[3]：将潜没式三角翼设置在渠道扩散段底部的特定位置，进行水流调控，可促使水流呈大扩散角流动，有效抑制水流与边界分离现象，改善扩散段水流流态。但潜没式三角翼的体形设计对水流的调控力度要适度，不足或过大都难以达到较好的效果，甚至使渠道扩散段过流断面水流的动量分布产生新的不平衡，扰动阻力增大[4]。为提高潜没式三角翼调控水流的效果，须对潜没式三角翼体形设计进行优化研究。笔者基于前期研究成果，依托国家自然科学基金项目支持，通过模型试验，优化潜没式三角翼体形，取得初步成果，满足水流调控要求。

1 潜没式三角翼体形优化研究思路

1.1 试验水槽与潜没式三角翼体形设计

潜没式三角翼体形优化研究借助试验水槽进行，水槽模型依照重力相似与紊動阻力相似原则设计，几何比尺为20，采用普通玻璃制作。整个试验水槽由上游窄槽段（底宽为0.340 m）、扩散段（渠段长为0.575 m）、下游宽槽段（底宽为1.000 m）、泄流段和消力池等组成。其中扩散段单侧扩散角为30°，水槽纵坡为0.3%，各渠段断面均为矩形。为满足研究需要，在试验水槽设置7个观测断面，每个断面布设若干个测点，具体布置见图1。

基于前期研究，潜没式三角翼体形设计需满足两个原则：一是适度调控水流，在满足调控效果的前提下，避免对水流过度扰动;二是结构简单，方便施工。其设计要点如下。

（1）翼体形状与分流角α。三角翼采用近似于扩散段体形的三角棱锥体，其顶角为分流角，该角度取扩散段单侧扩散角的2倍，为60°，即三角翼的两翼与扩散段边壁平行，两翼的分流作用使水流沿扩散段两侧平行流动。若分流角大于60°，在三角翼两翼的分流作用下，水流向大于边界扩散角的方向流动。水流方向与边界有夹角，水流流向边界将产生折冲水流，形成局部旋涡，这意味着三角翼调控力度偏大。若分流角小于60°，则三角翼两翼的分流作用不足以使水流充分扩散，扩散段边界仍可能存在局部回流区。同时，使三角翼单侧分流角与扩散段单侧扩散角一致，便于在工程上推广应用。此外，三角翼采取三角棱锥体也体现了结构简单、方便施工的设计原则。

（2）翼长l1与相对翼长η。三角翼的两翼通过配合三角翼分流角发挥作用，其长度需根据来流条件和调控断面动量分布特征，以满足适度调控的原则来确定。翼长l1与扩散段长度l之比为相对翼长，或称控导度，用η表示。采用相对翼长η研究调控水流的特性便于进行无尺度分析。

（3）翼体高度h1与潜没度γ。三角翼为潜没式，翼体高度小于水深，水流流经三角翼时，在翼体高度深度范围内的流层将受到三角翼的扰动而改变流动特性。将断面水深h与三角翼高度h1的比值定义为潜没度，用γ表示。当γ较小时，表明流层沿深度方向受到扰动的范围相对较大，翼体调控水流的能力相对较强。前期研究表明三角翼的适宜潜没度在1.30～1.90之间。

（4）两翼外边坡与攻角β。三角翼的两翼通过对水流的阻挡作用而分流，当翼体外边坡较陡时，即外坡面的倾角大，两翼对水流的阻挡作用大，分流效果相对显著，同时翼体的阻挡作用使水流产生一定的壅水及波动现象;当外坡面倾角减小时，两翼对水流的阻挡作用减小，分流作用相应降低，与前者相比，若要达到同样的分流效果就需要增加两翼长度，由此三角翼体积将增大，工程量加大。但在缓流情况下，翼体采用不同的外坡面倾角时所产生的壅水及波动现象差异并不显著。本文研究的水流为缓流，为降低三角翼尺度，采用倾角（约83.7°）较大的外坡面，坡比为1∶0.11。将两翼板在三角翼顶端的交接面（为空间直线）与渠底纵轴线的夹角β定义为攻角，β的大小取决于两翼外边坡与三角翼的分流角大小。

（5）安放位置。平面大扩散角水流出现边界层分离的起点一般位于扩散段起始断面，为抑制边界层分离，将三角翼顶点设置于扩散段进口断面处。

由此确定的三角翼体形及尺寸见图2。

1.2 前期研究存在的问题及潜没式三角翼体形优化研究思路

1.2.1 前期研究存在的问题

前期模型试验表明，水流经三角翼调控后，主流沿扩散段两侧分流，断面动量重新分配，消除了边界层分离与主流偏移现象，扩散段及其下游流态显著改善。同时发现存在以下两方面问题，需要对三角翼进行体形优化。

（1）三角翼分流作用偏大。在三角翼的调控下，强化了扩散段两侧的流动，相对削弱了中部的流动，使得扩散段及其下游一定范围流段的断面动量分布两侧偏强中部偏弱，流速梯度过大，可谓“矫枉过正”。

（2）三角翼翼后存在回流区。三角翼自身对水流有阻挡作用，水流绕过三角翼时，在翼后底部一定范围形成回流区，并伴有较大的水面波动。该回流区增加水流阻力[5]，降低过流能力，对于含沙水流来说将在翼后产生泥沙淤积。

三角翼调控下扩散段及下游段流场如图3所示。

1.2.2 三角翼体形优化研究思路与试验方案

从调整三角翼翼长和在三角翼底部设置过流通道两方面优化潜没式三角翼体形。

（1）调整三角翼翼长。在一定的水流条件与边界条件下，三角翼对水流的调控效果是分流角、翼长、翼高等体形要素综合作用的结果。当分流角确定后，决定调控效果的主要因素是翼高与翼长，但水流对翼体高度的改变较敏感。如前所述，增加翼体高度即降低潜没度，调控作用增大，同时翼后回流区增大，水流阻力增加，还将加剧水面波动。而降低翼体高度即提高潜没度，调控作用降低，水流经过三角翼时仅底层受到扰动改变流向，而大部分表层水流依然沿原流向流动，扩散段流态不能有效改变。即不宜通过改变翼体高度实现调控段断面动量分布的优化，三角翼只有在适宜的潜没度状况下并配合一定的翼长才能发挥应有的作用。鉴于此，试验中保持翼高不变，并将潜没度控制在适宜的范围之内，拟采取改变三角翼翼长的方法来改善调控段断面动量分布。共选取3种翼长方案进行对比试验。表1为三角翼3种翼长方案构造尺寸。

（2）在三角翼底部设置过流通道。针对翼后产生回流的主要原因，在翼长修改方案试验的基础上，对试验所确定的三角翼（翼长已获得优化）设计方案，在其底部设置能够过流的通道，以破除、减弱翼后回流作用。该通道定义为配流孔，设在三角翼上游立面的下方，其平面布置呈Y形，即下游出口分叉为两股，以增加翼后出流宽度。共考虑3种不同断面面积的配流孔设计方案，以比较过流大小对改善翼后流态的效果。为了进行无量纲分析，将配流孔断面面积与三角翼上游立面投影面积之比定义为三角翼的过流率，用ω表示。三角翼配流孔设计方案见表2，三角翼配流孔布置见图4。

2 不同翼长试验研究

按照上述3种翼长方案开展模型试验，其中来水流量Q共选取了30、40、50 L/s三级。通过量测观测断面测点水深与垂线流速得到单宽动量k。为便于分析过流断面单宽动量分布特征，将测点单宽动量k与断面平均动量k-相除，得到相对单宽动量值k′，即k′=k/k-;取相对单宽动量k′为纵坐标，且坐标轴与断面对称轴重合，取水槽底宽为横坐标，绘制断面相对单宽动量分布图。为了对比不同翼长方案特征断面动量分布情况，将3种翼长方案的實测结果套绘在同一图上。图5为来水流量Q为30 L/s情况下，3种翼长方案水槽特征断面相对单宽动量分布。3种翼长方案的相对翼长分别为η1=0.45、η2=0.39、η3=0.32。扩散段上游断面1的弗劳德数Fr为0.41～0.48，实测三角翼潜没度为1.51～1.67。

从图5可以看出，位于三角翼下游的各特征断面相对单宽动量分布均为U形，但不同翼长方案对应的相对单宽动量分布差异明显，各个断面相对单宽动量最大值与最小值之差，随着翼长的减小呈下降趋势，如对应于相对翼长η1、η2、η3方案，断面2分别为3.45、2.71、2.25，断面3分别为3.07、2.32、1.70，断面4分别为1.81、1.51、1.12。同时，翼后回流区所产生的相对单宽动量最小值随着翼长的减小呈增大趋势，如对应3种翼长方案，断面2分别为-0.81、-0.49、-0.22，断面3分别为-0.45、-0.17、0.05，断面4分别为0.01、0.19、0.42。显然相对翼长η3方案优于其他方案。在远离三角翼的下游断面5、断面6，由于流速调整恢复，断面动量分布不断改善，因此3种翼长方案的相对动量差逐渐减小。而断面1位于三角翼上游，水流受调控作用影响较小，相对动量分布较为均匀，k′在0.84～1.15之间。

此外，还注意到相对单宽动量分布图的对称性随着翼长变化有所改变，翼长较大时其对称性较好，而翼长较小时其对称性较差。出现这种现象的原因是：水流存在紊动与随机性，边界条件难以完全均衡，翼长减小时对水流的分流作用降低，在调控中易出现分流不均匀，使得调控段过流断面动量分布不对称，甚至“力不从心”，难以完全消除边界层分离现象。可见三角翼翼长不宜过小。3种翼长方案相比，尽管相对翼长η3方案的对称性低于其他方案，但该方案扩散段下游的主流线仍位于水槽中轴线附近，满足渠道输水基本要求，因此认为相对翼长η3方案为三角翼优选方案，选择该方案用于后续配流孔设计研究。

在其他两个流量级情况下，模型试验结果具有以上类似的特征。此外，试验中还对3种情况下水槽沿程水面线进行了测量，发现翼长较小者沿程水面线相对较低，说明改善三角翼调控段过流断面动量分布可降低水流阻力，该结论与理论分析是一致的。

3 配流孔设计试验研究

3.1 水流流态

根據研究思路，在以上翼长优选方案的基础上设置配流孔开展后续试验。该方案三角翼翼长为21 cm，相对翼长η为0.32，上游立面投影面积为130 cm2，3种不同断面面积配流孔对应的无量纲参数“过流率”分别为4.62%、9.23%、15.38%。

三角翼安设位置不变，按照相同水流条件，依次对3种配流孔设计方案的三角翼进行试验，通过观测得到扩散段及下游段流场图，如图6所示。为了方便表述，按配流孔断面面积从小到大排序，分别称为1号方案、2号方案、3号方案。

从流场图可以看到，水流流经三角翼后，沿扩散段两侧流动的强度有所减弱;部分水流通过配流孔从翼体流出，翼体后水面呈现出一定强度的流动现象，翼后虽然仍存在回流区，但仅出现在三角翼两侧，规模较无配流孔三角翼方案大幅度减小。对比3种配流孔设计方案，3号方案过流面积大，翼后回流区面积最小。如图6所示，在来水流量Q=30 L/s情况下，三角翼翼后两侧各存在一个不大于1.2 cm×2.5 cm的弱回流区。而1号、2号方案回流区面积分别为2.5 cm×3.7 cm和1.8 cm×3.1 cm。同时，随着配流孔面积的增大，翼后水面波动减弱。整个扩散段及其下游连接段水流流态也趋于平稳。在来水流量Q=40、50 L/s情况下，三角翼分流与配流孔过流相应增加，扩散段及三角翼翼后流态与Q=30 L/s情况相似。

3.2 特征断面单宽动量分布

将各试验方案实测水深及流速进行整理与计算，得到特征断面相对单宽动量k′的分布图，如图7所示。可以看到，特征断面相对单宽动量分布形态，仍为U形，但其变幅有所降低，且最小值均大于0，表明翼后回流区域缩小，观测断面没有出现反向流速。如：在来水流量Q=30 L/s情况下，断面2处1号、2号及3号配流孔方案所对应的相对单宽动量k′最小值分别为0.49、0.61、0.72，且最小值出现在2#与4#测点处，k′最大值分别为2.01、1.72、1.43;在断面3处1号、2号及3号配流孔方案所对应的相对单宽动量k′最小值分别为0.17、0.41、0.65，k′最大值分别为1.67、1.56、1.40;在断面4处1号、2号及3号配流孔方案所对应的相对单宽动量k′最小值分别为0.23、0.46、0.68，k′最大值分别为1.63、1.46、1.28。显然，三角翼设配流孔过流后，扩散段及下游特征断面单宽动量分布均优于三角翼无配流孔方案，而过流面积较大的3号方案优于1号与2号方案。在来水流量Q=40、50 L/s情况下，试验结果类似。

综上表明，三角翼设置配流孔后可缩小翼后回流区面积，改善局部流态;通过配流孔分流可均化下游断面单宽动量分布，而且配流孔过流面积越大该效果越显著。试验所采用的3种配流孔设计方案的相对过流率ω分别为4.62%、9.23%与15.38%，若继续增大配流孔面积，即提高相对过流率ω，将进一步改善翼后流态及扩散段下游断面动量分布，但三角翼尺寸相对较小，且体形较为复杂，再度扩大配流孔断面面积将削弱三角翼结构的局部强度（如配流孔侧壁厚度不足1 cm，换算为原型厚度小于0.2 m），增大结构设计的难度，甚至无法满足结构设计的要求。因此，考虑到结构设计的可行性，笔者认为15.38%已接近三角翼过流率ω的上限，不宜再增大配流孔断面面积，该配流孔设计方案及过流率ω可为类似水流条件及边界条件下的三角翼设计提供参考。

3.3 水槽沿程水面线特征

试验中对水槽沿程水深进行了量测，以分析三角翼不同配流孔设计方案对扩散段过流能力的影响。图8为来水流量Q=30 L/s情况下，依据实测断面水深绘制的水槽沿程水面线，其中横坐标以水槽断面1为起始点，纵坐标以水槽末端断面底边界为水位零点。

由图8可见，水面线沿程分布特征是：三角翼无配流孔设计方案居上，然后依次是三角翼1号配流孔方案、2号配流孔方案、3号配流孔方案;在断面2处皆出现较低水位。分析水面线特征可知，三角翼产生的附加阻力使水位局部壅高，扩散段过流能力有所降低;通过配流孔分流，减小了翼后回流区，使附加阻力降低，过流能力提升。配流孔分流量越大，效果越明显。同时，配流孔分流也减弱翼后水面波动，提高水流的稳定性，如3号配流孔方案水面波动相对较弱。

4 结 语

针对潜没式三角翼调控大扩散角明渠水流存在的过流断面动量分布不均衡问题，在三角翼体形设计方案的基础上，通过缩短翼长，使过流断面动量分布得到改善。在明渠扩散段单侧扩散角为30°，来流为缓流，三角翼潜没度为1.30～1.90的情况下，三角翼相对翼长η取0.32为宜。

在三角翼底部设置配流孔，通过配流孔过流，减小翼后回流区，降低翼前壅水高度与翼后涡旋阻力，提高扩散段的过流能力，同时具有均化过流断面动量分布的作用。比较3种不同过流面积的配流孔设计方案，以三角翼过流率ω为15.38%的效果最佳。研究表明，在三角翼结构设计许可的情况下，增大三角翼过流率ω可以提升调控水流的效果。

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【责任编辑 张华岩】