王二平 張世安 王俊

摘 要：大擴散角明渠中為抑制水流與邊界分離，采用潛沒式三角翼調(diào)控水流呈大擴散角流動，存在三角翼分流作用偏大、翼后出現(xiàn)局部回流區(qū)等問題，影響水流均衡過渡與平順連接。通過調(diào)整三角翼兩翼長度和在三角翼底部設(shè)置配流孔等措施對其進行優(yōu)化，并開展模型試驗，試驗結(jié)果表明：擴散段單側(cè)擴散角為30°、來流為緩流、三角翼潛沒度為1.30～1.90時，適當減小兩翼長度，可改善擴散段下游過流斷面動量分布，相對翼長η=0.32時效果相對較好;三角翼底部設(shè)置配流孔過流，可減小翼后回流區(qū)，降低渦旋阻力，提高擴散段過流能力，實現(xiàn)過流斷面動量均化;三角翼過流率ω為15.38%時，平順水流效果較好。

關(guān)鍵詞：大擴散角明渠;三角翼;翼長;配流孔

中圖分類號：TV133.1 ? 文獻標志碼：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

在工程設(shè)計中，對于明渠擴散段，要求擴散角一般不超過水流的自然擴散角[1-2]，否則將出現(xiàn)水流與邊界脫離，形成側(cè)壁回流、偏流等不良流態(tài)。在實際工程中，受空間場地的限制，輸水明渠不得不采用大擴散角過渡段進行渠段間銜接過渡時，為抑制可能出現(xiàn)的邊界層分離現(xiàn)象，避免產(chǎn)生不良流態(tài)，有必要采取工程措施，對擴散段水流進行調(diào)控，保障渠道安全運行。

研究表明[3]：將潛沒式三角翼設(shè)置在渠道擴散段底部的特定位置，進行水流調(diào)控，可促使水流呈大擴散角流動，有效抑制水流與邊界分離現(xiàn)象，改善擴散段水流流態(tài)。但潛沒式三角翼的體形設(shè)計對水流的調(diào)控力度要適度，不足或過大都難以達到較好的效果，甚至使渠道擴散段過流斷面水流的動量分布產(chǎn)生新的不平衡，擾動阻力增大[4]。為提高潛沒式三角翼調(diào)控水流的效果，須對潛沒式三角翼體形設(shè)計進行優(yōu)化研究。筆者基于前期研究成果，依托國家自然科學基金項目支持，通過模型試驗，優(yōu)化潛沒式三角翼體形，取得初步成果，滿足水流調(diào)控要求。

1 潛沒式三角翼體形優(yōu)化研究思路

1.1 試驗水槽與潛沒式三角翼體形設(shè)計

潛沒式三角翼體形優(yōu)化研究借助試驗水槽進行，水槽模型依照重力相似與紊動阻力相似原則設(shè)計，幾何比尺為20，采用普通玻璃制作。整個試驗水槽由上游窄槽段（底寬為0.340 m）、擴散段（渠段長為0.575 m）、下游寬槽段（底寬為1.000 m）、泄流段和消力池等組成。其中擴散段單側(cè)擴散角為30°，水槽縱坡為0.3%，各渠段斷面均為矩形。為滿足研究需要，在試驗水槽設(shè)置7個觀測斷面，每個斷面布設(shè)若干個測點，具體布置見圖1。

基于前期研究，潛沒式三角翼體形設(shè)計需滿足兩個原則：一是適度調(diào)控水流，在滿足調(diào)控效果的前提下，避免對水流過度擾動;二是結(jié)構(gòu)簡單，方便施工。其設(shè)計要點如下。

（1）翼體形狀與分流角α。三角翼采用近似于擴散段體形的三角棱錐體，其頂角為分流角，該角度取擴散段單側(cè)擴散角的2倍，為60°，即三角翼的兩翼與擴散段邊壁平行，兩翼的分流作用使水流沿擴散段兩側(cè)平行流動。若分流角大于60°，在三角翼兩翼的分流作用下，水流向大于邊界擴散角的方向流動。水流方向與邊界有夾角，水流流向邊界將產(chǎn)生折沖水流，形成局部旋渦，這意味著三角翼調(diào)控力度偏大。若分流角小于60°，則三角翼兩翼的分流作用不足以使水流充分擴散，擴散段邊界仍可能存在局部回流區(qū)。同時，使三角翼單側(cè)分流角與擴散段單側(cè)擴散角一致，便于在工程上推廣應用。此外，三角翼采取三角棱錐體也體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、方便施工的設(shè)計原則。

（2）翼長l1與相對翼長η。三角翼的兩翼通過配合三角翼分流角發(fā)揮作用，其長度需根據(jù)來流條件和調(diào)控斷面動量分布特征，以滿足適度調(diào)控的原則來確定。翼長l1與擴散段長度l之比為相對翼長，或稱控導度，用η表示。采用相對翼長η研究調(diào)控水流的特性便于進行無尺度分析。

（3）翼體高度h1與潛沒度γ。三角翼為潛沒式，翼體高度小于水深，水流流經(jīng)三角翼時，在翼體高度深度范圍內(nèi)的流層將受到三角翼的擾動而改變流動特性。將斷面水深h與三角翼高度h1的比值定義為潛沒度，用γ表示。當γ較小時，表明流層沿深度方向受到擾動的范圍相對較大，翼體調(diào)控水流的能力相對較強。前期研究表明三角翼的適宜潛沒度在1.30～1.90之間。

（4）兩翼外邊坡與攻角β。三角翼的兩翼通過對水流的阻擋作用而分流，當翼體外邊坡較陡時，即外坡面的傾角大，兩翼對水流的阻擋作用大，分流效果相對顯著，同時翼體的阻擋作用使水流產(chǎn)生一定的壅水及波動現(xiàn)象;當外坡面傾角減小時，兩翼對水流的阻擋作用減小，分流作用相應降低，與前者相比，若要達到同樣的分流效果就需要增加兩翼長度，由此三角翼體積將增大，工程量加大。但在緩流情況下，翼體采用不同的外坡面傾角時所產(chǎn)生的壅水及波動現(xiàn)象差異并不顯著。本文研究的水流為緩流，為降低三角翼尺度，采用傾角（約83.7°）較大的外坡面，坡比為1∶0.11。將兩翼板在三角翼頂端的交接面（為空間直線）與渠底縱軸線的夾角β定義為攻角，β的大小取決于兩翼外邊坡與三角翼的分流角大小。

（5）安放位置。平面大擴散角水流出現(xiàn)邊界層分離的起點一般位于擴散段起始斷面，為抑制邊界層分離，將三角翼頂點設(shè)置于擴散段進口斷面處。

由此確定的三角翼體形及尺寸見圖2。

1.2 前期研究存在的問題及潛沒式三角翼體形優(yōu)化研究思路

1.2.1 前期研究存在的問題

前期模型試驗表明，水流經(jīng)三角翼調(diào)控后，主流沿擴散段兩側(cè)分流，斷面動量重新分配，消除了邊界層分離與主流偏移現(xiàn)象，擴散段及其下游流態(tài)顯著改善。同時發(fā)現(xiàn)存在以下兩方面問題，需要對三角翼進行體形優(yōu)化。

（1）三角翼分流作用偏大。在三角翼的調(diào)控下，強化了擴散段兩側(cè)的流動，相對削弱了中部的流動，使得擴散段及其下游一定范圍流段的斷面動量分布兩側(cè)偏強中部偏弱，流速梯度過大，可謂“矯枉過正”。

（2）三角翼翼后存在回流區(qū)。三角翼自身對水流有阻擋作用，水流繞過三角翼時，在翼后底部一定范圍形成回流區(qū)，并伴有較大的水面波動。該回流區(qū)增加水流阻力[5]，降低過流能力，對于含沙水流來說將在翼后產(chǎn)生泥沙淤積。

三角翼調(diào)控下擴散段及下游段流場如圖3所示。

1.2.2 三角翼體形優(yōu)化研究思路與試驗方案

從調(diào)整三角翼翼長和在三角翼底部設(shè)置過流通道兩方面優(yōu)化潛沒式三角翼體形。

（1）調(diào)整三角翼翼長。在一定的水流條件與邊界條件下，三角翼對水流的調(diào)控效果是分流角、翼長、翼高等體形要素綜合作用的結(jié)果。當分流角確定后，決定調(diào)控效果的主要因素是翼高與翼長，但水流對翼體高度的改變較敏感。如前所述，增加翼體高度即降低潛沒度，調(diào)控作用增大，同時翼后回流區(qū)增大，水流阻力增加，還將加劇水面波動。而降低翼體高度即提高潛沒度，調(diào)控作用降低，水流經(jīng)過三角翼時僅底層受到擾動改變流向，而大部分表層水流依然沿原流向流動，擴散段流態(tài)不能有效改變。即不宜通過改變翼體高度實現(xiàn)調(diào)控段斷面動量分布的優(yōu)化，三角翼只有在適宜的潛沒度狀況下并配合一定的翼長才能發(fā)揮應有的作用。鑒于此，試驗中保持翼高不變，并將潛沒度控制在適宜的范圍之內(nèi)，擬采取改變?nèi)且硪黹L的方法來改善調(diào)控段斷面動量分布。共選取3種翼長方案進行對比試驗。表1為三角翼3種翼長方案構(gòu)造尺寸。

（2）在三角翼底部設(shè)置過流通道。針對翼后產(chǎn)生回流的主要原因，在翼長修改方案試驗的基礎(chǔ)上，對試驗所確定的三角翼（翼長已獲得優(yōu)化）設(shè)計方案，在其底部設(shè)置能夠過流的通道，以破除、減弱翼后回流作用。該通道定義為配流孔，設(shè)在三角翼上游立面的下方，其平面布置呈Y形，即下游出口分叉為兩股，以增加翼后出流寬度。共考慮3種不同斷面面積的配流孔設(shè)計方案，以比較過流大小對改善翼后流態(tài)的效果。為了進行無量綱分析，將配流孔斷面面積與三角翼上游立面投影面積之比定義為三角翼的過流率，用ω表示。三角翼配流孔設(shè)計方案見表2，三角翼配流孔布置見圖4。

2 不同翼長試驗研究

按照上述3種翼長方案開展模型試驗，其中來水流量Q共選取了30、40、50 L/s三級。通過量測觀測斷面測點水深與垂線流速得到單寬動量k。為便于分析過流斷面單寬動量分布特征，將測點單寬動量k與斷面平均動量k-相除，得到相對單寬動量值k′，即k′=k/k-;取相對單寬動量k′為縱坐標，且坐標軸與斷面對稱軸重合，取水槽底寬為橫坐標，繪制斷面相對單寬動量分布圖。為了對比不同翼長方案特征斷面動量分布情況，將3種翼長方案的實測結(jié)果套繪在同一圖上。圖5為來水流量Q為30 L/s情況下，3種翼長方案水槽特征斷面相對單寬動量分布。3種翼長方案的相對翼長分別為η1=0.45、η2=0.39、η3=0.32。擴散段上游斷面1的弗勞德數(shù)Fr為0.41～0.48，實測三角翼潛沒度為1.51～1.67。

從圖5可以看出，位于三角翼下游的各特征斷面相對單寬動量分布均為U形，但不同翼長方案對應的相對單寬動量分布差異明顯，各個斷面相對單寬動量最大值與最小值之差，隨著翼長的減小呈下降趨勢，如對應于相對翼長η1、η2、η3方案，斷面2分別為3.45、2.71、2.25，斷面3分別為3.07、2.32、1.70，斷面4分別為1.81、1.51、1.12。同時，翼后回流區(qū)所產(chǎn)生的相對單寬動量最小值隨著翼長的減小呈增大趨勢，如對應3種翼長方案，斷面2分別為-0.81、-0.49、-0.22，斷面3分別為-0.45、-0.17、0.05，斷面4分別為0.01、0.19、0.42。顯然相對翼長η3方案優(yōu)于其他方案。在遠離三角翼的下游斷面5、斷面6，由于流速調(diào)整恢復，斷面動量分布不斷改善，因此3種翼長方案的相對動量差逐漸減小。而斷面1位于三角翼上游，水流受調(diào)控作用影響較小，相對動量分布較為均勻，k′在0.84～1.15之間。

此外，還注意到相對單寬動量分布圖的對稱性隨著翼長變化有所改變，翼長較大時其對稱性較好，而翼長較小時其對稱性較差。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：水流存在紊動與隨機性，邊界條件難以完全均衡，翼長減小時對水流的分流作用降低，在調(diào)控中易出現(xiàn)分流不均勻，使得調(diào)控段過流斷面動量分布不對稱，甚至“力不從心”，難以完全消除邊界層分離現(xiàn)象。可見三角翼翼長不宜過小。3種翼長方案相比，盡管相對翼長η3方案的對稱性低于其他方案，但該方案擴散段下游的主流線仍位于水槽中軸線附近，滿足渠道輸水基本要求，因此認為相對翼長η3方案為三角翼優(yōu)選方案，選擇該方案用于后續(xù)配流孔設(shè)計研究。

在其他兩個流量級情況下，模型試驗結(jié)果具有以上類似的特征。此外，試驗中還對3種情況下水槽沿程水面線進行了測量，發(fā)現(xiàn)翼長較小者沿程水面線相對較低，說明改善三角翼調(diào)控段過流斷面動量分布可降低水流阻力，該結(jié)論與理論分析是一致的。

3 配流孔設(shè)計試驗研究

3.1 水流流態(tài)

根據(jù)研究思路，在以上翼長優(yōu)選方案的基礎(chǔ)上設(shè)置配流孔開展后續(xù)試驗。該方案三角翼翼長為21 cm，相對翼長η為0.32，上游立面投影面積為130 cm2，3種不同斷面面積配流孔對應的無量綱參數(shù)“過流率”分別為4.62%、9.23%、15.38%。

三角翼安設(shè)位置不變，按照相同水流條件，依次對3種配流孔設(shè)計方案的三角翼進行試驗，通過觀測得到擴散段及下游段流場圖，如圖6所示。為了方便表述，按配流孔斷面面積從小到大排序，分別稱為1號方案、2號方案、3號方案。

從流場圖可以看到，水流流經(jīng)三角翼后，沿擴散段兩側(cè)流動的強度有所減弱;部分水流通過配流孔從翼體流出，翼體后水面呈現(xiàn)出一定強度的流動現(xiàn)象，翼后雖然仍存在回流區(qū)，但僅出現(xiàn)在三角翼兩側(cè)，規(guī)模較無配流孔三角翼方案大幅度減小。對比3種配流孔設(shè)計方案，3號方案過流面積大，翼后回流區(qū)面積最小。如圖6所示，在來水流量Q=30 L/s情況下，三角翼翼后兩側(cè)各存在一個不大于1.2 cm×2.5 cm的弱回流區(qū)。而1號、2號方案回流區(qū)面積分別為2.5 cm×3.7 cm和1.8 cm×3.1 cm。同時，隨著配流孔面積的增大，翼后水面波動減弱。整個擴散段及其下游連接段水流流態(tài)也趨于平穩(wěn)。在來水流量Q=40、50 L/s情況下，三角翼分流與配流孔過流相應增加，擴散段及三角翼翼后流態(tài)與Q=30 L/s情況相似。

3.2 特征斷面單寬動量分布

將各試驗方案實測水深及流速進行整理與計算，得到特征斷面相對單寬動量k′的分布圖，如圖7所示。可以看到，特征斷面相對單寬動量分布形態(tài)，仍為U形，但其變幅有所降低，且最小值均大于0，表明翼后回流區(qū)域縮小，觀測斷面沒有出現(xiàn)反向流速。如：在來水流量Q=30 L/s情況下，斷面2處1號、2號及3號配流孔方案所對應的相對單寬動量k′最小值分別為0.49、0.61、0.72，且最小值出現(xiàn)在2#與4#測點處，k′最大值分別為2.01、1.72、1.43;在斷面3處1號、2號及3號配流孔方案所對應的相對單寬動量k′最小值分別為0.17、0.41、0.65，k′最大值分別為1.67、1.56、1.40;在斷面4處1號、2號及3號配流孔方案所對應的相對單寬動量k′最小值分別為0.23、0.46、0.68，k′最大值分別為1.63、1.46、1.28。顯然，三角翼設(shè)配流孔過流后，擴散段及下游特征斷面單寬動量分布均優(yōu)于三角翼無配流孔方案，而過流面積較大的3號方案優(yōu)于1號與2號方案。在來水流量Q=40、50 L/s情況下，試驗結(jié)果類似。

綜上表明，三角翼設(shè)置配流孔后可縮小翼后回流區(qū)面積，改善局部流態(tài);通過配流孔分流可均化下游斷面單寬動量分布，而且配流孔過流面積越大該效果越顯著。試驗所采用的3種配流孔設(shè)計方案的相對過流率ω分別為4.62%、9.23%與15.38%，若繼續(xù)增大配流孔面積，即提高相對過流率ω，將進一步改善翼后流態(tài)及擴散段下游斷面動量分布，但三角翼尺寸相對較小，且體形較為復雜，再度擴大配流孔斷面面積將削弱三角翼結(jié)構(gòu)的局部強度（如配流孔側(cè)壁厚度不足1 cm，換算為原型厚度小于0.2 m），增大結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，甚至無法滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。因此，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性，筆者認為15.38%已接近三角翼過流率ω的上限，不宜再增大配流孔斷面面積，該配流孔設(shè)計方案及過流率ω可為類似水流條件及邊界條件下的三角翼設(shè)計提供參考。

3.3 水槽沿程水面線特征

試驗中對水槽沿程水深進行了量測，以分析三角翼不同配流孔設(shè)計方案對擴散段過流能力的影響。圖8為來水流量Q=30 L/s情況下，依據(jù)實測斷面水深繪制的水槽沿程水面線，其中橫坐標以水槽斷面1為起始點，縱坐標以水槽末端斷面底邊界為水位零點。

由圖8可見，水面線沿程分布特征是：三角翼無配流孔設(shè)計方案居上，然后依次是三角翼1號配流孔方案、2號配流孔方案、3號配流孔方案;在斷面2處皆出現(xiàn)較低水位。分析水面線特征可知，三角翼產(chǎn)生的附加阻力使水位局部壅高，擴散段過流能力有所降低;通過配流孔分流，減小了翼后回流區(qū)，使附加阻力降低，過流能力提升。配流孔分流量越大，效果越明顯。同時，配流孔分流也減弱翼后水面波動，提高水流的穩(wěn)定性，如3號配流孔方案水面波動相對較弱。

4 結(jié) 語

針對潛沒式三角翼調(diào)控大擴散角明渠水流存在的過流斷面動量分布不均衡問題，在三角翼體形設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，通過縮短翼長，使過流斷面動量分布得到改善。在明渠擴散段單側(cè)擴散角為30°，來流為緩流，三角翼潛沒度為1.30～1.90的情況下，三角翼相對翼長η取0.32為宜。

在三角翼底部設(shè)置配流孔，通過配流孔過流，減小翼后回流區(qū)，降低翼前壅水高度與翼后渦旋阻力，提高擴散段的過流能力，同時具有均化過流斷面動量分布的作用。比較3種不同過流面積的配流孔設(shè)計方案，以三角翼過流率ω為15.38%的效果最佳。研究表明，在三角翼結(jié)構(gòu)設(shè)計許可的情況下，增大三角翼過流率ω可以提升調(diào)控水流的效果。

參考文獻：

[1] 郭天亮.水閘上下游翼墻設(shè)計中應當注意的幾個問題[J].廣東科技，2009（12）：238.

[2] 于倩，孫東坡，王鵬濤，等.明渠大擴散角過渡段水流特性及偏流機理研究[J].人民長江，2019，50（6）：203-210.

[3] 孫東坡，羅秋實，王二平，等.控導淺層急流的潛沒式三角翼體特性研究[J].水科學進展，2007，18（4）：509-515.

[4] 王二平，呂臣，孫東坡，等.潛沒式三角翼對明渠擴散段水流的調(diào)控研究[J].人民珠江，2018，39（3）：22-25.

[5] 孫東坡，李林昊，趙寶帥，等.明渠擴散段急流運動特性及調(diào)控方法研究綜述[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2014，35（4）：1-6.

【責任編輯 張華巖】