宽浅陡槽三角翼模型实验大纲

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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oO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

2、消力池内形成立轴漩涡,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

3、组提出一种创新性的控导工程措施“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，

4、由于该项技术措施结构简单，效果显著，可以大大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

5、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

6、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。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3・1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&851.654.4713・2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

7、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©"二0.0085〜0.0088,与工程原型糙率®二0.014〜0.015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