蔣健楠，牧振偉，張佳祎，賈萍陽

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

基于均勻正交設(shè)計(jì)的消力池內(nèi)雙層懸柵布置優(yōu)化試驗(yàn)

蔣健楠，牧振偉，張佳祎，賈萍陽

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052）

由于在消力池內(nèi)布置雙層懸柵對消能效果影響少有研究，考慮到單寬流量、懸柵柵條數(shù)、柵距和層距等影響因素，采用均勻正交設(shè)計(jì)，考察4因素3水平，選擇UL9（34）優(yōu)化方案進(jìn)行模型試驗(yàn)，對比了不同流量和懸柵布置型式組合下消力池內(nèi)下降水深及消能率。試驗(yàn)結(jié)果表明：不考慮單寬流量時(shí)，消力池內(nèi)布置雙層懸柵，下降水深受層距、柵條數(shù)以及柵距影響較大，其中層距改變影響最大，消能率受這些影響因素影響較小；單寬流量較小時(shí)，層距和柵距均與下降水深成正比關(guān)系，單寬流量較大時(shí)，層距與下降水深成正比關(guān)系。

雙層懸柵；均勻正交設(shè)計(jì)；下降水深；層距；柵距；柵條數(shù)

1 研究背景

在底流消力池內(nèi)增設(shè)輔助消能工是提高消力池消能效果常用的方式，但新疆大多數(shù)河流含沙量較大，底孔出流的消力池不僅要起到消能作用，還要兼顧排沙，一些常見的輔助消能工均設(shè)置在消力池底板上，極易受到含沙水流的沖刷，影響消能效果。懸柵消能工是新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的一種新型輔助消能工，因其懸掛在消力池內(nèi)，不易受到含沙水流沖刷，能有效地起到輔助消能作用。懸柵消能工現(xiàn)已成功應(yīng)用在新疆五一水庫、小石峽等工程中。已有人結(jié)合這些工程，采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對懸柵進(jìn)行了研究，侯杰等［1］通過陡坡懸柵模型試驗(yàn)，得到了陡坡懸柵的水力特性；張建民等［2］利用多普勒激光測速系統(tǒng)測試了懸柵和懸柵板附近流場，對懸柵和懸柵板流場進(jìn)行了分析；吳戰(zhàn)營等［3-4］對消力池內(nèi)懸柵輔助消能工進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，確定了新疆迪那河五一水庫溢洪洞消力池懸柵消能工的最佳方案；朱玲玲［5］采用PPR投影尋蹤回歸分析方法和流體力學(xué)軟件FLUENT數(shù)值模擬手段，進(jìn)行了底流消力池內(nèi)懸柵消能工布置型式對消能效果影響研究，得出了消力池內(nèi)消能效果影響因子排序。但此前研究大都針對單層懸柵，而雙層懸柵布置情況卻少有研究。前期試驗(yàn)表明，消力池內(nèi)布置雙層懸柵較單層懸柵消能效果更優(yōu)，有必要深入研究雙層懸柵對消力池消能效果的影響規(guī)律。消能效果影響因素包括流量、層距、柵距、柵條數(shù)等，考慮到消能效果影響因素較多，運(yùn)用均勻正交設(shè)計(jì)［6-10］理論對消力池內(nèi)布置雙層懸柵試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過優(yōu)化后的模型試驗(yàn)，探究雙層懸柵各影響因素對消能效果影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)為研究消力池內(nèi)布置雙層懸柵后對消能效果的影響，采用q0=21.43 L/s為試驗(yàn)單寬流量設(shè)計(jì)值，通過相關(guān)水力計(jì)算［11］得到消力池尺寸，其中消力池長120 cm、寬18 cm、深10 cm、邊墻高39.5 cm。懸柵采用矩形懸柵，懸柵柵條長18 cm、寬1 cm、高2 cm，懸柵呈“W”型布設(shè)，消力池結(jié)構(gòu)及懸柵布置見圖1。為了便于觀測，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骶捎糜袡C(jī)玻璃板，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傮w長約9.3 m，分別由供水水箱、進(jìn)口引水段、消力池、出口泄水段以及三角形量水堰組成。

圖1 消力池結(jié)構(gòu)及懸柵布置（單位：cm）

2.2 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)布置懸柵時(shí)，在消力池渥奇段布置4根懸柵，取柵高（懸柵中心點(diǎn)距消力池底板高度）h=7 cm、柵距（相鄰兩根懸柵水平之間的距離）b1=3.5 cm。為使水流更好地進(jìn)入消力池，在消力池前端布置1根懸柵，取柵高h(yuǎn)=8.5 cm，與渥奇段懸柵之間柵距b1=3.5 cm。改變消力池內(nèi)懸柵布置型式時(shí)，為便于試驗(yàn)研究，保持渥奇段4根和消力池前端1根懸柵位置不變，只改變消力池內(nèi)懸柵柵距b1、柵條數(shù)n、間距b2以及單寬流量q0。

2.3 試驗(yàn)手段最大水深采用測針測量，精度為0.1mm，取斷面水位最高處讀數(shù)與該斷面底部讀數(shù)之差為最大水深H；流量的測量調(diào)節(jié)采用三角形量水堰；消力池內(nèi)流態(tài)采用肉眼觀察方式，并用高清攝像機(jī)拍照記錄。

消能率計(jì)算為：

其中：

式中：h1、h2分別為來流、出流斷面水深，cm；v1、v2分別為來流、出流斷面流速，cm/s；E1、E2分別為來流、出流斷面的能量；ΔE為消力池消耗的能量；a為來流、出流斷面高程差，取a=13.8 cm。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 單、雙層懸柵消能效果對比 通過在消力池內(nèi)布置單層和雙層懸柵，在單寬流量q0=21.43 L/s下進(jìn)行試驗(yàn)得到消力池內(nèi)流態(tài)圖（見圖2）和單、雙層懸柵消能效果對比（見表1）。

圖2（a）是在消力池內(nèi)布置雙層懸柵，其中柵距b1=12 cm、柵條數(shù)n=11根、層距（即上層?xùn)鸥吲c下層?xùn)鸥咧?，簡稱：層距）b2=4 cm；圖2（b）是布置單層懸柵，其中柵距b1=5.5 cm、柵條數(shù)n=11根。從圖2可知，布置雙層懸柵，水躍主要集中在渥奇段和消力池前段，消力池后段水流平穩(wěn)，沒有劇烈波動(dòng)，消能效果較好；布置單層懸柵，水躍后移至消力池中后段，消力池內(nèi)水流波動(dòng)較大，消能效果不理想。

圖2 消力池內(nèi)流態(tài)

表1給出了消力池內(nèi)布置單層和雙層懸柵后消力池內(nèi)最大水深、下降水深（即消力池內(nèi)布置雙層懸柵后最大水深相對未布置懸柵時(shí)最大水深下降的水深）及水躍型式。由表1可知，相同流量下，柵條數(shù)相同或者柵條數(shù)較少時(shí)，布置雙層懸柵，消力池內(nèi)流態(tài)更加平穩(wěn)，水面波動(dòng)較小，較布置單層懸柵方案更優(yōu)；消力池內(nèi)布置懸柵后，在消力池內(nèi)流態(tài)均穩(wěn)定和柵條數(shù)一定時(shí)，布置雙層懸柵，消力池內(nèi)最大水深下降更多。2.4.2 雙層懸柵優(yōu)化方案設(shè)計(jì) 在不同單寬流量下，首先對消力池內(nèi)未布置懸柵進(jìn)行模型試驗(yàn)，觀察消力池內(nèi)流態(tài)，測量消力池內(nèi)最大水深并計(jì)算消能率，然后對消力池布置雙層懸柵進(jìn)行模型試驗(yàn)，觀察布置雙層懸柵對消力池消能效果的影響，并測量消力池內(nèi)最大水深，計(jì)算下降水深以及消能率，下降水深為布置懸柵前后消力池內(nèi)最大水深下削減的水深。

表1 單、雙懸柵消能效果對比

研究每個(gè)因素對消能效果的影響需要大量試驗(yàn)，為此需對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，需要考察4因素3水平，采用均勻正交表不但具有正交性還具有均勻性，比標(biāo)準(zhǔn)正交表更能減少重復(fù)，減少多水平多因素試驗(yàn)次數(shù)?？紤]多方面因素，選擇UL9（34）進(jìn)行試驗(yàn)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中柵條數(shù)n取7根、11根、15根，柵距b1取8、10、12 cm，層距b2取2、3、4 cm，單寬流量q0取15.71、18.57、21.43 L/s，得到優(yōu)化試驗(yàn)方案見表2。

表2 均勻正交試驗(yàn)優(yōu)化方案

3 消能效果影響因素排序

通過試驗(yàn)得到未布置懸柵時(shí)消力池內(nèi)流態(tài)、最大水深以及消能率（表3）和懸柵不同布置型式下消力池內(nèi)最大水深、下降水深和消能率（見表4）。由表3、表4可知，消力池內(nèi)布置懸柵后，水流均在消力池內(nèi)形成淹沒式水躍，水流流態(tài)相對穩(wěn)定，消能率均有所提高，消力池內(nèi)最大水深均有所下降；流量改變，對消力池內(nèi)最大水深和消能率的影響比較大，消能率隨著流量的增大而增大，說明在設(shè)計(jì)流量下，在消力池內(nèi)布置雙層懸柵能改善消力池消能效果。

在不考慮流量情況下，改變柵條數(shù)n、柵距b1及層距b2，對消力池消能效果同樣有影響，消能率平均變化率為1.31%，下降水深平均變化率為38.23%，說明柵條數(shù)n、柵距b1及層距b2的改變，對消力池消能率影響較小，對下降水深影響較大。對4因素3水平所得的平均下降水深進(jìn)行極差計(jì)算，可得柵條數(shù)n、柵距b1、層距b2對應(yīng)平均下降水深的極差R1分別為0.40、0.73和0.75 cm，可知層距b2改變引起的平均下降水深極差最大，柵條數(shù)n改變引起的平均下降水深極差最小，各因素對平均下降水深的影響排序?yàn)閷泳郻2、柵距b1、柵條數(shù)n。

試驗(yàn)表明，改變流量，水流速度和消力池內(nèi)水深也同時(shí)改變，消力池內(nèi)布置雙層懸柵后，懸柵阻擋水流，將水流分成上、下兩股，使上、下水流相互碰撞，增大水流摻氣量，使水流中大部分能量耗散，流速和下降水深變化幅度也比較大；不考慮流量情況下，改變柵條數(shù)n和柵距b1，只改變了懸柵水平斷面面積，垂直斷面面積并未改變，水流與懸柵碰撞幾率較小，水流摻氣量較少，水躍減弱較慢，下降水深變化較?。桓淖儗泳郻2，改變懸柵垂直斷面面積，水流與懸柵碰撞幾率增大，水流摻氣量較多，水躍減弱較快，下降水深變化較大，說明改變懸柵層距對下降水深影響更大；流量不變，只改變懸柵柵條數(shù)n、柵距b1以及層距b2，水流經(jīng)過懸柵摻氣消能，流速減小，流量不變，水深增大，流速變化量和水深變化量相差不大，因此，消能率變化不大。

表3 未布置懸柵的試驗(yàn)結(jié)果

表4 布置懸柵后的試驗(yàn)結(jié)果

4 影響因素對下降水深影響規(guī)律

通過均勻正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同單寬流量q0下，改變柵條數(shù)n、柵距b1及層距b2布置型式對消力池下降水深影響也不一樣。根據(jù)均勻正交試驗(yàn)，參考下降水深H2最大的1組懸柵布置型式，即柵條數(shù)n=11根、柵距b1=12 cm、層距b2=4 cm，分別改變柵條數(shù)n、柵距b1以及層距b2在q0=18.57 L/s和q0= 21.43 L/s下進(jìn)行模型試驗(yàn)。

4.1 層距對最大水深影響規(guī)律保持柵條數(shù)n=11根和柵距b1=12 cm不變，改變層距b2，在q0=18.57 L/s和q0=21.43 L/s兩種流量下進(jìn)行模型試驗(yàn)，得到消力池下降水深見表5。由表5可見，下降水深隨層距的增大而增大。試驗(yàn)表明，流量較小時(shí)，水流流速較小，攜帶的能量較小，流態(tài)紊亂程度較小，消力池內(nèi)布置懸柵后，水流經(jīng)過懸柵是摻氣消能，使水流速度減小，只增大柵距層距b2，垂直斷面面積增大，使水流與柵條碰撞更充分，消力池內(nèi)最大水深下降逐漸增大，層距b2與下降水深成正比關(guān)系；單寬流量q0較大時(shí)，水流攜帶能量較大，流態(tài)紊亂程度較大，只增大層距b2，水流與柵條碰撞幾率增大，消力池內(nèi)水深下降隨之增大，層距b2與下降水深H2成正比關(guān)系。

表5 懸柵布置不同層距時(shí)的下降水深

表6 懸柵布置不同柵距時(shí)下降水深

4.2 柵距對下降水深影響規(guī)律保持柵條數(shù)n=11根和層距b2=4 cm不變，改變柵距b1，在q0=18.57 L/s和q0=21.43 L/s兩種流量下進(jìn)行模型試驗(yàn)，得到消力池下降水深見表6。由表6可見，當(dāng)單寬流量q0= 18.57 L/s時(shí)，下降水深隨柵距增大而增大；當(dāng)單寬流量q0=21.43 L/s時(shí)，隨著柵距增大，下降水深先減小后增大。流量較小時(shí)，水流能量較小，紊亂程度較小，只增大柵距b1，水平斷面面積增大，在一定程度上增大了水流與柵條碰撞幾率，消力池內(nèi)下降水深H2隨之增大，此時(shí)柵距b1與下降水深成正比關(guān)系；單寬流量較大時(shí)，流態(tài)紊亂程度較大，只增大水平斷面面積，水流與柵條碰撞增大的幾率對水流影響較小，下降水深H2不隨柵距b1增大而增大，此時(shí)，柵距b1與下降水深不成正比關(guān)系。

4.3 柵條數(shù)對下降水深影響規(guī)律保持柵距b1= 12 cm和層距b2=4 cm不變，改變柵條數(shù)n，在18.57 L/s和21.43 L/s兩種流量下進(jìn)行模型試驗(yàn)，得到消力池下降水深見表7。由表7可見，當(dāng)q0= 18.57 L/s時(shí)，下降水深隨柵條數(shù)增大而減??；當(dāng)q0=21.43 L/s時(shí)，隨著柵條數(shù)增大，下降水深先增大和減小。單寬流量較大或較小時(shí)，只改變柵條數(shù)n，懸柵水平斷面和垂直斷面面積均未增大，水流與柵條碰撞幾率并未增大，水流摻氣消去能量變化不大，且柵條數(shù)n增加，使水流過流能力減弱，水位雍高，下降水深H2較小，柵條數(shù)n與下降水深H2不成正比關(guān)系。

5 結(jié)論

表7 懸柵布置不同柵條數(shù)時(shí)下降水深

本文通過消力池內(nèi)布置雙層懸柵模型試驗(yàn)，對比試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：（1）在不考慮單寬流量情況下，在消力池內(nèi)布置雙層懸柵，改變懸柵柵條數(shù)、柵距以及層距，消能率的平均變化率為1.31%，對消能率影響較??；下降水深的平均變化率為38.23%，對下降水深影響較大；且各因素對下降水深的影響排序?yàn)閷泳唷啪?、柵條數(shù)；（2）在單寬流量較小或較大時(shí)，層距與下降水深均成正比關(guān)系，柵條數(shù)與下降水深均不成正比關(guān)系；單寬流量較小時(shí)，柵距與下降水深成正比關(guān)系，單寬流量較大時(shí)，柵距與下降水深不成正比關(guān)系。

由于試驗(yàn)組數(shù)相對較少，本文只得出各影響因素與下降水深的大致變化趨勢，至于其具體變化規(guī)律或其間函數(shù)關(guān)系仍需進(jìn)一步探究。

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［ 3］ 吳戰(zhàn)營.消力池內(nèi)輔助消能工試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

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Double suspended grid layoutoptimization test in the absorption basin based on the uniform orthogonal design

JIANG Jiannan，MU Zhenwei，ZHANG Jiayi，JIA Pingyang
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Due to rare research on effect of energy dissipation of double suspended grid laying in absorp?tion basin，considering the discharge per unit width，suspended grid bar number，grid distance，layer dis?tance and other influencing factors，it adopts the uniform orthogonal design to investigate four factors three levels，choose UL9（34）optimization scheme for model test，and compares declined water depth and energy dissipation percentage in absorption basin under the combination of different flow and suspended grid ar?rangement type.Experimental results are shown that：（1） no considering about discharge per unit width，double suspended grid laid in absorption basin，declined water depth is greatly influenced by layer dis?tance，grid bar number and grid distance，where the influence of layer distance change is the greatest，but effect of energy dissipation is less influenced by these factors；（2）when the discharge per unit width is smaller，layer distance and the grid distance are proportional to declined water depth，while the dis?charge per unit width is bigger，the layer distance is proportional to the declined water depth.

double suspended grid；uniform orthogonal design；decline water depth；layer distance；grid distance；grid bar number

TV134

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.007

1672-3031（2015）05-0357-06

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2015-03-31

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51469031）；新疆優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)項(xiàng)目（2013721027）；新疆自治區(qū)級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510758080）

蔣健楠（1991-），男，江蘇江陰人，碩士生，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：841157334@qq.com

牧振偉（1973-），男，河南南陽人，教授，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：xjmzw@163.com