宽浅陡槽三角翼模型实验大纲

1、家自然基金项目潜没式三角翼体控导宽浅急流的机理与工程应用工作大纲华北水利水电学院二o o八年六月一、课题研究的意义及进展在抗冲能力较低的笫四纪松散沉积层或黄土软基上修建的溢洪道及其他流体输运工程， 为了降低单宽流量，保证结构稳定及泄流安全，往往将过水断面设计成宽浅式陡槽。在宽浅 陡槽中，由于断面宽深比较大，边壁糙率、边界层发展、水流自掺气、沿程水头损失等受边 界条件及冲击波的干扰影响也逐渐增强，致使这类浅层急流在动量（横向）分布及能量（纵 向）分布具有与一般急流不同的特点。一般浅层急流的抗干扰能力很差，因此边界干扰往往 使泄流不稳定，造成陡槽末端发生斜坡水跃，同时引起主流偏转，在消力池内形成立

2、轴漩涡, 挤压水跃，从而使消能不充分，影响消能工的正常运用，危及建筑物的安全。目前，国内外用于流体输送的陡槽（溢洪道）工程数量很多，在基础较差的区域，宽浅 陡槽是主要的工程型式。因此有效解决宽浅陡槽普遍存在的流态不稳定、消能状况不良与工 程安全度低的问题，具有十分紧迫与重要的现实意义。为了合理设计宽浅陡槽，必须从流体力学理论上解决以下儿个问题：（1）与一般陡槽相比，宽浅陡槽水流的能量耗散与动量分布特点，干扰引起的水流冲 击波传播特性；（2）通过不同模式识别，寻求宽浅陡槽水流动量分布与下游水流衔接稳定性的关系；（3）寻求控导浅层急流冲击波的介入方式与调控机理。课题组提出一种创新性的控导工程措施“

3、潜没式三角翼体”，其结构简单、工程量很小, 在两个水利工程应用后起到了很好的效果，并且能够节约大量投资。根据己经得到实际工程 验证、效果良好的“介入式”潜没三角翼体的研究成果，课题组拟在此基础上进行宽浅式陡 槽动量调整理论的开拓性研究；同时对宽浅陡槽中设置潜没三角翼体进行模型试验与数值模 拟研究，最终提出潜没式三角翼体的设置原则与综合控制指标，为实际工程中三角翼体应用 提供设计技术参数与计算方法。潜没式三角翼体作为一种创新性的浅层急流控导措施，在导流机理研究、泄水建筑物高 速水流控制及冲击波调控理论领域具有开拓性与革新性的重要意义；在工程应用方面，由 于该项技术措施结构简单，效果显著，可以大大

4、提高宽浅陡槽工程运行安全度与消能效率。对该项课题继续进行深入研究，将对浅层高速水流特性及控制领域的理论研究产生重要 影响,潜没式三角翼在水利、采矿（采煤）的浆液输送等工程屮也将能得到更广泛的推广应用， 同时为工程设计提供理论依据。二、课题研究目的与任务宽浅溢洪道是建在土基上的一种溢洪道型式，市于水浅流急，与正常宽深比溢洪道相比 其水流的流态及下游衔接情况具有特殊性与复杂性。国内外一些学者曾对浅层急流进行过试 验研究，提出了一些改善水流条件与消能条件的技术措施，但大都是针对具体的工程，而系 列性研究并不多见。根据工程任务，本次水工模型试验的主要任务如下：1. 通过试验，确定陡槽过流能力、水面线以

5、及流速分布等水力基本要素特性，探索无 控导水流的特点，边界层发展变化规律及边界干扰对流速及水深影响。2. 改变陡槽的坡度，进行不同工况的试验，观察陡槽和消力池内的水流流态，根据测 量数据初步分析宽浅急流的水流特点，3. 针对宽浅溢洪道陡槽浅层急流的不稳泄性以及消能的特殊性，重点试验研究陡槽段 下游的水流状态、消能效果，找出水流宽深比达到多大时（或者其他条件），水跃从稳定变为 不稳定，可以从实测资料分析着两个阶段水流，并分析消力池内产生不稳定的原因。4. 在陡槽中设置潜没式三角翼体对宽浅急流进行控导，研究冲击波传播反射特点，冲 击波与末端水流稳定性的关系。探索研究潜没式三角翼体控导宽浅水流的机理

6、。通过对不同 体型、尺寸与相对位置的三角翼体进行全面深入的科学研究。三、研究方法与技术路线3.1宽浅陡槽模型比尺考虑试验任务要求以及试验室供水系统的供水能力和试验场地等条件，模型采用的儿何 比尺为入=20o主要各项比尺如下表所示：表31模型主要比尺儿何比尺流速比尺流量比尺糙率比尺吋间比尺密度比尺入aa.=矿=矿血=人6a =矿204. 47178& 851.654. 47132宽浅陡槽模型设计本模型设计参照槐扒非常溢洪道水力设计及体型优化项目所建水槽，并根据本项目 实际需要做了一定修改。为了满足紊动阻力相似的要求，水工模型的溢洪道工程部分采用有机玻璃板制造。模型 糙率©&qu

7、ot;二0. 00850. 0088,与工程原型糙率®二0. 0140. 015基木相同。整体模型的制作精 度满足水工（常规）模型试验规程（sl155-95） o模型范围包扌舌水库，缓坡段，过渡段，陡槽 段和陡槽消力池，水库长宽均为3. 0m,沿模型自东向西依次为加的深水区，lm的浅水区， 坡度为1/800长度为4. 8m的引渠段，长度为0. 70m的平坡过渡段，斜长为8. 46m的陡坡段, 长度最大为0. 90m的陡坡消力池和长度为1. 5m的平坡泄槽段。其中引渠段宽度为1. 2m边壁 坡度为1： 1，陡坡段宽度为1.0m。陡槽段为半自动化变坡设计，根据试验需要初步拟定坡 度为1/

8、5, 1/7, 1/9三次变坡。模型平面布置及各控制断面高程见图3-1所示。70.0100.0200.0o込480.0830.090.0150.00.0000深水区0t 0 00浅水区olo收缩段陡坡消力池oi=l/800 o引渠段0.0s/5陡槽段平坡泄槽段图3-la模型平面布置图单位：cm图3-lb模型立面布置图 单位：cm33模型试验研究方案3. 3. 1模型试验工况组合本试验将结合典型工程，以典型工程坡比为1/7的陡槽为研究对象，并在模型试验中加入1/5, 1/9坡比，分析研究宽浅急流的水力特性，根据初步计算结果和宽深比的范围，物理模型试验建立20m 的溢洪道，通过流量分别为161 m

9、3/s35. 78m3/s等数量级，同时考虑后期数模计算要求和水流工况 组合，拟定进行以下试验工况：表32模型试验工况角 翼模型流 量(l/s)原型流 量(m3/s)单宽流 量(m 7 s )陡坡段坡度陡坡段 高差 (cm)消力池 池长 (cm)消力池 深度 (cm)备 注2035. 781.793053. 672.683562.613. 134071. 553.58无5089. 444.471/516690960107. 335.3770125. 226. 2680143. 117. 1690161.00& 05万案一2035. 781. 793053. 672.683562. 61

10、3. 134071.553.58有5089. 444.471/516690960107. 335.3770125. 226. 2680143. 117. 1690161.00&052035. 781. 793053. 672.683562. 613. 134071. 553.58无5089. 444.471/7119.780860107. 335.3770125. 226. 2680143. 117. 16方案二90161.008.052035. 781.793053. 672.683562. 613. 13有4071.553.581/7119.78085089. 444.476010

11、7. 335.3770125. 226. 2680143. 117. 1690161. 008. 052035. 781. 793053. 672. 683562.613. 134071.553. 58无5089. 444. 471/993. 575760107. 335. 3770125. 226. 2680143. 117. 16% 一 -90161. 008. 05方案二2035. 781.793053. 672. 683562.613. 134071. 553. 58有5089. 444.471/993.575760107. 335. 3770125. 226. 2680143. 11

12、7. 1690161. 008. 053. 3. 2模型试验断面布设测量断面从过渡段进口开始第二个断面为陡槽进口，然后每50cm取一个断面，一直到跃前断而, 过渡段进口起始断面桩号为0+000,陡槽进口起始断而桩号为0+70；后面依次为0+120, 0+170 至到陡槽末端0+916. 4断面。最后一个断面在平坡消力池末端为0+1066.4断面。具体布置见图3-2。缓坡段过渡段陡坡段平坡消力池000+0寸.9 一 6+0 0茫+0 §+0 0zz+0 0£+0 0卜9+0 0s+0 od+o od oe 寸+o oe+o 貝+0 oa+0 oez+o ozj+o 02+0

13、oz.0+0寸.990 一 +0图3-2量测断面布置图(单位：cm)陡槽试验测试断面布置断面编号水平位置(m)高程(m)备注10+000过渡段入口20+070陡槽段入口30+120陡槽段+140+170陡槽段+250+220陡槽段+360+270陡槽段+470+320陡槽段+580+370陡槽段+690+420陡槽段+7100+470陡槽段+8110+520陡槽段+9120+570陡槽段+10130+620陡槽段+11140+670陡槽段+12150+720陡槽段+13160+770陡槽段+14170+820陡槽段+15180+870陡槽段+16190+916.4陡槽段+17200+1066.

14、4消力池尾水断血333模型断面测点布设为了真实准确地反映断面的横向流速分布，在各个测试断面上有规律地设置了若干个测点，测点位置及编号见图1-u其屮测点1为右边壁点；测点2为距边壁5cm的点；测点3为右侧干扰线与断血的交点；测点4为陡槽中线与断血的交点；测点5、6、7为右侧对称测。具体布置见图3-2。缓坡段测点位置（cm）1左+02左+303中+04右+305中+0陡坡段1右+32右+53右+12.54右+255中+06左+257左+12.58左+59左+3图3-3量测断面布置图3.3.4试验量测设备1. 流量：槽上游来水流量rfl e-mag电磁流量计控制；2. 水位：水位变化采用固定和移动水位测针来量测；3. 流速：试验中的水流流速量测在缓坡段和尾水段采用旋桨流速仪，在陡坡段流速较大时脉动流 速主要采用二维adv流速仪测量，d=3mm的小毕托管也可用来测流速。所有量测设备均符合水工模型（常规）试验规程（sl155-95）。34模型试验数据采集附1:模型试验研究工作流程图断面编号测点位置水柱 压差 （厘米）模型 流速 （米/秒）原型 流速 （米/秒）断面编号测点位置水柱 压差 （厘