矩形渠道翼形量水槽仿生优化试验研究

刘鸿涛，屈忠义，向丹丹

矩形渠道翼形量水槽仿生优化试验研究

刘鸿涛1, 2, 3，屈忠义1*，向丹丹2, 3

（1.内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018；2.长春工程学院 水利与环境工程学院，长春 130012；3.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，长春 130012）

【目的】探索利用仿生技术优化翼形量水槽，期望降低过槽水头损失、提高临界淹没度，以适用于更小比降的渠道，助力国家节水行动。【方法】15种流量条件下，试验观测量水槽进口到出口多个测流断面的水位，对机翼形量水槽和仿赛鸽翼截面曲线型量水槽自由出流工况下的水头损失、壅水高度、佛汝德数、临界比降等水力参数进行分析与对比。【结果】仿赛鸽翼截面曲线型量水槽平均测流误差为1.28%，具有较高的测流精度，满足规范要求；与机翼形量水槽相比，临界淹没工况：平均壅水高度、平均水头损失分别降低7.46%、5.81%；上游可形成平稳缓流，均小于0.4；工作的最小渠道比降接近1/5 000，临界淹没度最大值达0.933。【结论】通过仿生优化方法改善量水槽性能可行，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽各项量水性能指标优良，可用于大多数支渠、斗渠、农渠量水，在一定程度上解决了平原灌区渠道量水槽淹没出流误差大、阻水严重、适用范围小等问题，具有非常好的应用前景。

赛鸽翼；量水槽；壅水高度；水头损失；临界淹没度

0 引言

【研究意义】党的十九大明确提出“实施国家节水行动”，目标是2035年灌溉节水达到世界先进水平[1-3]。灌区渠道量水是实行计划用水和准确用水、输水、配水、灌水的重要手段，量水槽在灌区用水管理中有重要作用，可有效促进灌区节水灌溉的发展，具有结构简单易用，适合我国灌区“面大片广”的特点。但大多衬砌渠道设计时未对量水槽做相关规划，给已有的渠道配套量水槽带来“额外”的水头损失，而且导致渠道壅水。因此通过对量水槽的试验与研究对其量水性能和结构进行优化，找到具有结构简单、水头损失小、量水精度高、临界淹没度高、流量计算公式简明的渠道量水设备，对灌区用水管理工作具有十分重大的意义。

【研究进展】国外学者从19世纪20年代就开始着手利用量水槽进行灌区渠道流量及水量测量的相关研究。1926年美国人Parshall研发了著名的“巴歇尔量水槽”[4-5]，1967年Skogerboe在巴歇尔量水槽的基础上研究改进，首次提出了结构更为简单的无喉道量水槽[6-7]，这一发明被认为是灌排技术的重要进步，在这一阶段，国内外研究人员不断改进量水槽外轮廓曲线以优化其性能；我国也于20世纪50年代开始了量水槽的引进和研发工作，并逐渐形成了具有自己特色的研究成果[8]；20世纪80年代，Hager[9]发明圆柱形量水槽，吕宏兴等[10]发明了U形渠道平底抛物线形量水槽，量水槽外轮廓线由折线向规则曲线发展，最大临界淹没度提高到0.8以上；21世纪初，量水槽外轮廓线由规则曲线向流线型发展[11-13]，吕宏兴、洪成等根据文丘里型量水槽的测流原理提出的一种新型量水槽，其过水侧外形为仿真机翼形状，由特定曲线方程控制，结构简单、造价较低、各项量水性能均不同程度提升，各项研究表明其在既有量水槽中最优[14-16]。

【切入点】量水槽的形状原则上可以是任意的，但良好的槽壁体形可以使水流顺畅，可减少局部水头损失并提高测流精度。研究人员长期探索不同量水槽外轮廓线优化其性能，希望降低水头损失、提高临界淹没度，让量水槽适用于更小比降的渠道，但成效甚微[18]。机翼形量水槽是通过在渠道二侧边壁上修筑机翼形槽体所形成的一类新型量水槽，然后在自由出流情况下，经过实际测量发现机翼形量水槽最小渠道工作比降约为1/1 500左右，适用范围较窄。因此应对翼形量水槽做进一步优化，探索更优的最小工作比降，对前期研究加以补充。【拟解决的关键问题】鉴于此，本文基于仿生学原理，利用赛鸽翼截面曲线探索优化量水槽，通过对比模型试验评价其量水性能和应用前景，研发了仿赛鸽翼截面曲线型量水槽，明晰了其渠道临界比降—临界淹没度—过槽流量相关关系，确定了其自由出流最小临界比降，该结果对灌区渠道精细量水具有一定的理论意义和应用价值。

1 试验装置与方法

1.1 仿赛鸽翼截面曲线型量水槽构造

经过长期的演进，赛鸽的躯体结构近乎完美，鸽翼在飞行中的减阻性能极佳，这一特性与量水槽降低水头损失的需求十分契合[19-22]，故截取赛鸽次级飞羽（副翼）与鸽身交界剖面，利用鸽翼剖面外轮廓线优化翼形量水槽，如图1所示。以图1中剖面迎流端顶点为基点，水平截取鸽翼上表面曲线作为量水槽外轮廓线，沿矩形渠道中心线对称修砌仿赛鸽翼截面曲线型量水槽，由于量水槽束窄了渠道过水断面，水流通过时就会产生流态变化，自由出流时，量水槽中某一断面发生临界流，量水槽上游水位与过槽流量之间具有稳定的水位—流量关系，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽结构如图2所示。

图1 赛鸽翼剖面位置及剖面

图2 仿赛鸽翼截面曲线型量水槽结构

1.2 模型量水槽结构参数和试验装置

1.2.1 模型试验量水槽结构参数

由于实际应用过程中，水位和流量不能进行人为控制，为了更准确和全面的进行研究，将引大入秦总干渠矩形渠道按1∶15的比尺缩放，进行模型试验[23]。收缩比是量水槽喉口处断面面积与渠道全断面面积的比值，当量水槽外轮廓线确定时，确定收缩比即确定量水槽结构尺寸，本文模型试验设计0.516和0.541收缩比。引大入秦总干渠矩形渠道底宽4.5 m，按比尺缩放的模型渠道底宽0.3 m，根据设计收缩比可以分别确定机翼形量水槽和仿赛鸽翼截面曲线型量水槽的翼高、翼长和喉口宽度，具体模型试验参数见表1。

表1 模型试验量水槽结构参数

1.2.2 模型试验装置和仪器

模型试验在实验室渠系试验台上进行，矩形试验渠道长、宽、高分别为：7.0、0.3、0.4 m，试验最大供水流量为100 m³/h，试验流量通过变频器精细调节。渠系试验台有机玻璃渠道按平底制作，在渠道出水口前安装调节比降装置，通过调整比降板与渠底的夹角，模拟不同的渠道比降，比降板调节范围0°～60°，如图3。水位观测分别采用：自制测压排和水位测针（SCM60型、精度±0.1 mm），试验流量利用矩形薄壁堰量测，流程见图4。

图3 比降调节装置

图4 模型试验装置工作流程

1.2.3 试验渠道比降-角度-流量关系测定

临界淹没工况对应的渠道比降是量水槽工作的关键参数，故开展试验渠道流量-比降-角度关系测定。在未安装量水槽前，供水流量稳定后，调整比降板角度（调节范围0°～60°），测定渠道水面线，矩形薄壁堰测算流量，有机玻璃板糙率取=0.011。试验渠道流量-比降-角度关系见图5。

图5 渠道比降-角度-流量关系

1.2.4 流量计算公式

在渠道上修建量水槽形成侧收缩，水流通过渠道收缩段时，喉口断面（侧收缩最大断面）产生临界流，自由出流（上游水位不变，下游水位不影响上游水位）条件下，过槽流量与量水槽上游水位具有稳定的水位-流量关系。应用量纲分析π定理，建立量纲和谐的流量计算公式[23]。

仿赛鸽翼截面曲线型量水槽流量式（1）为：

式中：为流量（m³/s）；g为重力加速度（m/s2）；c为喉口宽度（m）；为上游水深（m）。

图6 仿赛鸽翼截面曲线型量水槽模型

2 模型试验分析及量水性能参数对比

2.1 测流精度

测流精度是量水槽研究的重要技术指标，可直观描述量水槽量水性能的优劣。将仿赛鸽翼截面曲线型量水槽流量计算式（1）得出的计算流量与实测流量绘于图7中，发现仿赛鸽翼截面曲线型量水槽测流误差小于5%（平均误差1.28%），各工况符合规范要求[24]。

图7 仿赛鸽翼截面曲线型量水槽模型试验计算流量与实测流量对比

2.2 壅水高度对比

如图8所示，临界淹没工况下，机翼形量水槽壅水高度占上游水头的平均百分比为18.04%，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽壅水高度占上游水头的平均百分比为10.58%，量水槽的壅水高度总体上随流量的增大而增大，在各种流量工况临界淹没状态下，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽壅水高度相比于机翼形量水槽平均降低7.46%。

图8 临界淹没状态下2种量水槽壅水高度对比

2.3 上游佛汝德数对比

将各种流量工况状态下，机翼形量水槽上游佛汝德数和仿赛鸽翼截面曲线型量水槽上游佛汝德数绘于图9，2种量水槽在水位测量断面上游佛汝德数均小于0.4，为平稳缓流。流量变化时，2种量水槽上游佛汝德数几乎不变。

2.4 临界淹没度对比

自由出流工况下，下游水深不影响上游水深，当下游水深影响上游水深时，为淹没出流，同时流量计算误差开始加大。试验时，通过调节渠道水面线得到临界状态，确定临界淹没度如图10所示，机翼形量水槽和仿赛鸽翼截面曲线型量水槽的最大临界淹没度分别为0.897和0.933。

图9 不同流量工况下2种量水槽上游佛汝德数对比

图10 不同流量工况下2种量水槽临界淹没度对比

2.5 水头损失对比

如图11所示，2种量水槽水头损失基本上随流量的增大而增大，在各种流量工况临界淹没状态下，机翼形量水槽水头损失占上游水头的平均百分比为14.73%，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽水头损失占上游水头的平均百分比为8.92%，平均降低5.81%。

图11 临界淹没状态下2种量水槽水头损失对比

2.6 临界比降对比

在模型试验时，各流量工况临界淹没状态下，比降板与渠道之间的夹角为临界角度，根据流量和临界角度查图5的渠道比降-角度-流量关系，确定各流量工况临界淹没状态下的渠道比降，将其称为临界比降，2种量水槽各流量工况临界比降见表2。由表2可知，在同样的条件下，流量越大，临界比降逐渐变小，且相比于机翼型量水槽，矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽临界比降更加稳定，可知临界比降越小越适合在平原灌区应用。

表2 临界比降-临界角度-流量关系表

3 讨论

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失与流程正相关，对于特设量水槽产生的局部水头损失比沿程水头损失大得多，几乎等于总水头损失。灌溉水经过量水槽受到阻碍，由于惯性，灌溉水与槽壁脱离形成漩涡，强烈紊动导致水头损失；漩涡随灌溉水流向下游运动，导致下游一定范围内紊动加剧，水头损失加大；量水槽附近，流速分布变化很快，也会造成一定的水头损失。翼形量水槽对称修筑，对水流的阻力合力方向平行于明渠均匀流流线，且方向相反，在垂直水流方向对水流作用力几乎为0，有效降低流线的交叉碰撞和液体质点的紊动强度，从而降低水头损失[25-30]。

翼形量水槽水头损失由进口收缩段、出口扩散段和出口扩散段至下游一段距离内的水头损失3部分组成。同翼高时，矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽进口距离喉口为3.17倍翼高、喉口距离出口5.44倍翼高，机翼形量水槽进口距离喉口为1.50倍翼高、喉口距离出口3.50倍翼高，仿赛鸽翼截面曲线型量水槽进口收缩段和出口扩散段流线曲率半径更大、过渡范围更长，量水槽段流程流速分布变化不均匀性降低，有效减小了相邻流层间相对运动的内摩擦力，水头损失更小[31]。但并不说明进出口长度越大，外轮廓线曲率越小越好，量水槽长度的增加会导致沿程水头损失不能被忽略[32]。

灌溉水流经量水槽时流态发生“缓流-急流-缓流”的变化，动能和势能之间相互转化，产生热能形式的机械能损失。由模型试验各测排断面佛汝德数变化情况看，矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽较机翼形量水槽流态变化历时更短，产生的热能消耗更小，也是产生较小水头损失的原因[11]。另外，临界淹没工况，水跃断面均位于喉口下游、量水槽出口上游，边壁脱流得以缓解，产生的旋涡有效减少，水头损失更小[29]。本文探讨临界淹没工况，流量一定时上游水深不变，水头损失减小，渠道断面不变，下游断面水深更大，临界淹没度必然更高，壅水高度更小。

4 结论

1）矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽上游可以形成平稳缓流，上游均小于0.4，有利于保证测流精度；其测流精度较高，平均测流误差1.28%，满足规范相关要求。

2）临界淹没工况，矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽较机翼形量水槽壅水高度平均降低了7.46%，水头损失平均降低了5.81%。

3）矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽最大临界淹没度可达0.933，自由出流的最小工作比降（临界比降）接近1/5 000。

4）利用仿生技术可以优化量水槽性能，优化的矩形渠道仿赛鸽翼截面曲线型量水槽量水性能极佳，可用于大多数矩形配水渠道量水，在一定程度上解决了平原灌区渠道量水槽淹没出流误差大、阻水严重、适用范围小等问题，助力国家节水行动，具有非常好的应用前景。

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Bionic Optimization of Wing-shaped Flume for Rectangular Channel Based on Experimental Study

LIU Hongtao1,2,3, QU Zhongyi1*, XIANG Dandan2,3

(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;2. School of Water Conservancy and Environmental Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China;3. Jilin Province Water Engineering Safety and Disaster Prevention Engineering Lab, Changchun 130012, China)

【Objective】Flume is a device to measure water flow in open channels. The purpose of this paper is to propose a bionic technology to optimize wing-shaped flume in attempts to reduce the head loss across the flume and improve the critical submergence degree for channels in areas with small topographic gradient.【Method】The experiments compared 15 flow conditions. The change in water levels from the inlet to the outlet of the flumes was measured. These enabled us to analyze the hydraulic parameters including water head loss, backwater height, Frude number and critical gradient, and to compare the performance of the original wing-shaped flume and the optimized imitation pigeon wing section curve type flume.【Result】The average error of the optimized imitation pigeon wing section curve type flume is 1.28%, meeting the requirements. Compared with the original wing-shaped flume, the critical submergence degree working condition, the average backwater height and the average head loss of the optimized flume are reduced by 7.46% and 5.81% respectively, the flow in the upstream became smoother with the<0.4. The minimum the channel gradient at which the optimized flume can work with is close to 1/5 000, and the critical submergence degree is 0.933. 【Conclusion】It is feasible to improve the performance of the wing-shaped flume by bionic optimization. The performance of the optimized imitation pigeon wing section curve type flume works well for various channels. It can be used in branch canals, bucket canals and agricultural canals. It resolves the shortcomings of large inundation outflow, serious water obstruction often seen in traditional flumes.

racing pigeon wings;measuring flume;height of backwater;head loss;critical submergence degree

1672 - 3317（2022）09 - 0140 - 07

S274.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021428

刘鸿涛, 屈忠义, 向丹丹. 矩形渠道翼形量水槽仿生优化试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(9): 140-146.

LIU Hongtao, QU Zhongyi, XIANG Dandan. Bionic Optimization of Wing-shaped Flume for Rectangular Channel Based on Experimental Study[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(9): 140-146.

2021-09-06

国家自然科学基金项目（41761050）；吉林省科技厅重点科技研发项目（专项支持）（20180201036SF）；吉林省高校科技与社科“十三五”科研规划项目（JJKH20200629KJ）；内蒙古自治区水利建设基金项目（213-03-10-303002-nsk2018-M5）

刘鸿涛（1979-），男。教授，主要从事灌区现代化技术、水工水力学、堤防侵蚀防控技术研究。E-mail: 576609094@qq.com

屈忠义（1969-），男。教授，主要从事区域水土环境与节水灌溉理论技术研究。E-mail: quzhongyi@imau.edu.cn

责任编辑：赵宇龙