一種明渠擴散段均流裝置及其安放位置的計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種明渠擴散段均流裝置及其安放位置的計算方法，尤其涉及一種基于三角翼的、利用攻角與導(dǎo)翼使水流側(cè)向適度分流的明渠擴散段均流裝置及其安放位置的計算方法，屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]輸水工程中，明渠擴散過渡段的體型與布置是關(guān)系到工程安全運行的重要問題。工程實踐和試驗表明:當(dāng)明渠擴散段擴散角超出一定范圍后，側(cè)壁將發(fā)生邊界層分離；擴散水流與邊界的分離會產(chǎn)生強烈的漩渦運動與大尺度側(cè)壁回流，擴散段水流在漩渦的擾動下，要么不能擴散(主流居中，兩側(cè)回流)，要么使主流橫向偏移(主流偏一側(cè)，另一側(cè)回流)，總之?dāng)U散段下游主流不穩(wěn)定，回流強烈、惡劣的流態(tài)影響工程正常運行。
[0003]所以目前輸水明渠擴散段的水力設(shè)計受規(guī)范限制，對過渡段的擴散角都有明確限制，往往只能通過加長擴散段來滿足，極大地限制了輸水明渠擴散段的設(shè)計條件。許多輸水明渠或隧洞出口的過渡段受地形地質(zhì)條件及下游過流條件限制，常常不得不采用短擴散段長度、平面大擴散角的銜接形式。因此，如何均衡穩(wěn)定大擴散段的水流，尋求一種技術(shù)可行、安全可靠的控導(dǎo)措施與設(shè)計方法是一個急需解決的重要工程問題，也是一個函待研宄的流體力學(xué)領(lǐng)域中邊界層控制的理論問題。
[0004]當(dāng)水流進入擴散段后，水流在粘滯阻力與慣性力的共同作用下發(fā)生邊界層分離，在擴散段產(chǎn)生偏流和回流，不僅增大了能量消耗且惡化了水流條件，對泄水工建筑物的安全運行帶來不利影響。由于沒有很好的實用解決辦法，明渠大擴散角過渡段的使用較少，研宄成果也很有限。一些學(xué)者針對與此相關(guān)的水流流動分離問題開展了一些研宄，在擴散段內(nèi)加設(shè)導(dǎo)流柵、導(dǎo)流墩、消渦板、立柱、底坎等裝置改善擴散段進水流速分布，消除大面積的回流區(qū)。
[0005]雖然在一定程度上起到分流、促進擴散的作用；但采用措施均不是針對抑制邊界層分離，其體型對擴散段水流干擾較大，破壞了水流連續(xù)性，引起較大的附加阻力。因此解決大擴散段水流平順銜接問題，要從抑制邊界層分離的角度入手，研宄具有較好的水動力特性，同時能較好保持明渠水流連續(xù)的均衡流動措施，而這方面的研宄成果還較少。大量復(fù)雜邊界條件下的輸水工程，急需明渠平面大擴散段有效的導(dǎo)流設(shè)施與實用水力設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種利用三角翼幾何形體的流體動力學(xué)特性，設(shè)計一種潛沒式水流調(diào)控措施，固定在明渠擴散段底板，使明渠擴散段水流受到均流裝置兩翼的適度干預(yù)控制，調(diào)整明渠擴散段過水?dāng)嗝娴膭恿繖M向分布，實現(xiàn)對大擴散段水流的均衡調(diào)整，消除主流擺動不穩(wěn)及回流現(xiàn)象，有效解決過渡段水流的平順均勻銜接與下游消能的穩(wěn)定充分；進一步地，本發(fā)明通過合理計算，得出了均流裝置分流能力與分流效果呈最優(yōu)狀態(tài)的放置位置的參數(shù)，并優(yōu)化了均流裝置的體型。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種明渠擴散段均流裝置，其特征在于:包括:呈等腰三角形的頂板、與所述頂板平行設(shè)置的呈燕尾型的底板、連接所述頂板的外側(cè)邊和所述底板的外側(cè)面的2塊迎水前坡板、與所述頂板的底相重合且頂角向所述底板所在平面傾斜的呈等腰三角形的迎水后坡板、連接所述迎水前坡板的后側(cè)邊與所述底板的末端端點的側(cè)翼外墻及連接所述迎水后坡板的腰與所述底板的末端端點的側(cè)翼內(nèi)墻。
[0008]頂板的外側(cè)邊即為頂板的三角形的腰；底板的外側(cè)面為燕尾型的外邊；迎水前坡板有兩塊，對稱設(shè)置且兩塊迎水前坡板的前端相連接；側(cè)翼外墻的個數(shù)為兩個且對稱設(shè)置；側(cè)翼內(nèi)墻的個數(shù)為兩個且對稱設(shè)置。
[0009]所述底板為左右對稱結(jié)構(gòu)，對稱軸為所述底板的中心線，對稱軸兩端為兩個全等的三角形；呈燕尾型的所述底板中部為呈三角形的空白區(qū)，所述空白區(qū)的頂點至所述底板的頂點的距離小于所述頂板的高。
[0010]三角形的空白區(qū)底邊空缺。
[0011]所述迎水前坡板與側(cè)翼內(nèi)墻上設(shè)置有貫穿的導(dǎo)流孔，所述導(dǎo)流孔與所述頂板相平行設(shè)置。
[0012]導(dǎo)流孔的個數(shù)為兩個且對稱分布。
[0013]所述導(dǎo)流孔為方形，所述導(dǎo)流孔的底邊與所述底板的外側(cè)邊相重合。
[0014]所述導(dǎo)流孔的中心線與所述底板的對稱軸平行，垂直于中心線的橫切面為圓或者方形，穿過所述迎水前坡板和所述側(cè)翼內(nèi)墻。
[0015]所述頂板的頂角為分流角θ，Θ的角度范圍為25~ 35°。
[0016]所述頂板的頂角修圓，所述側(cè)翼外墻采用直立面與緩坡斜面過渡，所述均流裝置的平面轉(zhuǎn)折處均采用圓弧過渡，以減緩所述均流裝置遭到的明渠水流的空蝕破壞。
[0017]所述迎水前坡板的坡率為1:9~10 ;所述迎水后坡板的坡率為1:7~8 ;所述緩坡斜面的坡率為1:4~6。
[0018]一種明渠擴散段均流裝置安放位置的計算方法，其特征在于:當(dāng)Cs3斷面與躍首斷面重合時，明渠水躍呈穩(wěn)定狀態(tài)，選擇均流裝置合適的安放位置就要滿足使Cs3斷面與躍首斷面重合，為了確定均流裝置的安放位置，對均流裝置末端產(chǎn)生的干擾線進行了分析研宄，發(fā)現(xiàn)干擾線軌跡具有非常明顯的線性關(guān)系:
Y=- KX+ C (I)
式(I沖X為以Csi斷面為起始點沿明渠水流方向的距離，X的長度范圍在Csi斷面與躍首斷面之間；Y為干擾線末端距明渠邊壁的橫向距離，根據(jù)非棱柱體明渠急流沖擊波理論，可以得到系數(shù)K，
K= a tan ( β ) (2)
式(2)中α代表明渠水流動量橫向分布函數(shù)的參數(shù)；β代表明渠末端水流單寬流量相關(guān)的水力參數(shù)；
考慮邊界條件，
在 CSl 斷面:Χ= O 時，Y= C= 1/2 (B-b) (3)
在 CS3 斷面:Y= O 時，X= X(4)
式(3)中B代表明渠寬度；b代表均流裝置尾部斷面處的寬度；(B-b)代表均流裝置尾部斷面處的過流寬度；1/2 (B-b)代表均流裝置尾部端點距離明渠邊壁的距離；
式(4)中X代均流裝置尾部斷面處距躍首斷面的長度；
此時可以由式(I)、式(2)、式(3)和式(4)推出均流裝置的相對安放位置x/ B:
將式(2)、式(3)代入式(1)，得到:
Y=- ( a tan ( β )) X+ (B-b) /2(5)
將式(4)代入式(5)，得到:
O=- ( a tan ( β )) x+ (B_b) /2(6)
由式(6)變換可得到:
x=l/2 (B-b)/ ( a tan β )(7)
將式(7)的兩端均除以B得到:
x/B=l/2(B-b)/[ ( a tanβ ) B](8)
由于 λ = (B- b)/B故得出:
χ/Β=1/2λ/ ( α tan β ) (9)
式(9)中λ代表收縮比，λ為均流裝置尾部斷面處的過流寬度(B- b)與陡明渠寬度B之比；α取值范圍在0~1之間；β取值范圍在0~90°之間；λ取值范圍在0.25-0.42之間；此處的α和β不取兩個端點值；
故 χ/Β=0.4 ?0.6
即當(dāng)均流裝置尾部斷面處距躍首斷面的長度與明渠寬度的比值在0.4?0.6之間時，Cs3斷面與躍首斷面重合，明渠水躍呈穩(wěn)定狀態(tài)，均流裝置的分流能力與分流效果最好；
躍首斷面:明渠末端的水流不穩(wěn)定會出現(xiàn)水躍，取開始出現(xiàn)水躍的斷面即為躍首斷面；
Csi斷面:均流裝置尾部的斷面即為C S1斷面；
Cs3斷面:均流裝置的干擾線達到明渠邊壁的斷面即為Cs3斷面；
三角翼體(即均