矩形薄壁堰貼壁流水力學(xué)特性的試驗研究

彭儒武，張 昕，彭英慧

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100193;3.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826)

矩形薄壁堰貼壁流水力學(xué)特性的試驗研究

彭儒武1，張 昕2，彭英慧3

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東泰安 271018;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100193;3.山東水利職業(yè)學(xué)院，山東日照 276826)

矩形薄壁堰在堰上起始水流穩(wěn)定且小流量的情況下，易形成貼壁堰流現(xiàn)象.應(yīng)用水力學(xué)的方法，對矩形薄壁堰貼壁流水力學(xué)特性進(jìn)行了深入的試驗研究.通過研究發(fā)現(xiàn):貼壁流的水面曲線與自由流的水面曲線差別很大;貼壁流水頭與流量之間存在著穩(wěn)定的關(guān)系，并擬合出了貼壁流的流量公式;貼壁流的過流能力比自由流大;貼壁流的臨界水頭為H貼臨=4.99～5.05 cm.與自由流相同，矩形薄壁堰貼壁流的水力學(xué)特性穩(wěn)定而且規(guī)律.

矩形薄壁堰;貼壁堰流;試驗研究;水頭;流量

2001年5月，筆者給青島市鐵山水庫做溢洪道模型試驗，在量測庫水位－泄量關(guān)系時(用矩形薄壁堰量測放水流量，也以此作為水庫的泄水流量)，發(fā)現(xiàn)放水流量由小到大測出的庫水位值與放水流量由大到小測出的庫水位值不一致.其原因是:當(dāng)堰上起始水流穩(wěn)定(流量由小逐漸增大)，小流量時的矩形薄壁堰流往往不能形成挑流的水舌形狀，而易形成貼附堰壁溢流，簡稱為貼壁堰流.為此，筆者對矩形薄壁堰貼壁流現(xiàn)象進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗研究，對貼壁流的水力學(xué)特性進(jìn)行了較為深入的分析和探討.

1 試驗設(shè)計

該研究使用了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的水利實驗室.該實驗室有一矩形薄壁堰，該薄壁堰經(jīng)常使用，堰板材料為塑料板，厚度2 cm，堰板表面光滑平整.強(qiáng)度符合要求，在最大水頭下堰板不彎曲變形，堰板的制作、安裝符合有關(guān)規(guī)程要求［1－2］.堰槽高度 C=A=2.6 m，堰及渠槽寬度 b=B=0.765 m，堰槽總長度L=7.0 m，量測段長度 L1=4.9 m，穩(wěn)水段長度 Ls=0.7 m，供水段長度 L2=1.4 m，尾水段長度 l=0.6 m，堰高 P=0.698 m.在堰板上游1.4 m 處設(shè)置水位測針.試驗所使用的矩形薄壁堰的各項尺寸符合有關(guān)規(guī)程要求.

2 試驗觀測

2.1 貼壁流臨界水頭及貼壁流現(xiàn)象試驗觀測

為找出貼壁流到正常自由堰流的臨界水頭H貼臨的大小，做了15組試驗.每組試驗的初始流量為小流量，待堰上水流平穩(wěn)后觀測水位測針的讀數(shù)，然后控制閘閥使流量平穩(wěn)地增加.估計過堰水流快要脫離堰壁時，流量增加的幅度要盡量小.一般是每增加一次流量，堰上水位測針讀數(shù)的增加幅度不應(yīng)大于0.5 mm.直到貼壁流脫離堰壁為止，記錄脫壁前一次水位測針讀數(shù).重復(fù)上述試驗15次.得到貼壁流臨界水頭值為:H貼臨=4.99～5.05 cm.

由試驗觀測可知:矩形薄壁堰在貼壁流時，堰前及堰頂處的水流平穩(wěn)、光滑，水流在堰頂處微微向外突出，堰后水流緊貼堰壁下泄.在小流量低水頭(一般水頭H貼＜4.40 cm)時，附貼在堰板后面的水流是平穩(wěn)光滑的.隨著水頭的增大，附貼在堰板后面的水流不再光滑.貼壁水流即將脫壁時，堰頂及堰后的貼壁水流不穩(wěn)定并伴有波動聲，時間不長，約幾秒鐘，水流脫離堰壁，形成正常的自由堰流.

當(dāng)貼壁水頭較小時(一般水頭H貼＜4.40 cm)，水流緊貼堰壁，堰板后的通氣孔不起作用.試驗時，把軟管固定到堰板的后壁上，用氣筒向管內(nèi)打氣，貼壁流也不會脫開.這說明堰板后的通氣孔對初始就貼壁的過堰水流不起作用.它的作用只是向正常堰流的水舌下面補(bǔ)充空氣，避免水舌下面的空氣被水流帶走，影響水舌的穩(wěn)定.水舌不穩(wěn)定，過堰的流量也不穩(wěn)定.

當(dāng)供水的起始流量為大流量時，薄壁堰流是正常的自由流.操縱閘閥，使放水流量逐漸減小，當(dāng)正常自由堰流的水頭值降至1.25 cm左右時，過堰水流才貼壁.

必須指出的是，試驗時的室內(nèi)溫度為30℃，水溫為25℃.

2.2 貼壁流水面曲線的試驗觀測

2.2.1 試驗方法及數(shù)據(jù)

在堰渠頂部觀測不同流量情況下5處測點(①堰頂處，②堰上H處，③堰上2H處，④堰上3H處，⑤堰上5H處)的水面測針讀數(shù).水位測針在水面上的讀數(shù)與堰頂上的讀數(shù)之差，就是水流在各測點處的水頭值，它直觀地反映了水面的降落情況.貼壁流情況下的試驗做完后，不改變流量，在堰上不遠(yuǎn)處用一塊木板在水中用力一劃，給過堰水流一個推力，水流在這個外加推力的作用下，會脫離堰壁，形成正常的自由堰流，待水流穩(wěn)定后，作同樣的試驗觀測.為了準(zhǔn)確，重復(fù)做了15組上述試驗，選擇5組流量間隔基本相同的試驗數(shù)據(jù)列于表1和表2中.

表1 貼壁流時堰上各測點的堰上水頭

表2 自由流時堰上各測點的堰上水頭

2.2.2 水面線分析

為了更好地分析、比較貼壁流和自由流的水面線形狀，將表1及表2的試驗數(shù)據(jù)做進(jìn)一步整理.把堰上5H處的水頭值作為堰上水頭值，將此水頭分別與堰頂處、堰上H處、堰上2H處、堰上3H處的水頭進(jìn)行比較.如流量Q=6.86 L/s時，貼壁流的堰上水頭H貼=2.49 cm，堰頂處的水頭為1.77 cm，則堰頂處的水位降落了0.72 cm，即0.289H貼，把其他測點處的水位降落值也計算出來.同樣，把其他流量各測點的水位降幅都計算出來.貼壁流與自由流時的計算結(jié)果分別列于表3和表4中.

表3 貼壁流時堰上各測點的水位降幅

表4 自由流時堰上各測點的水位降幅

由表3可知，貼壁堰流的水面曲線與正常堰流的水面曲線不同，其水位在堰上3H處下降了0.005H，在堰上2H 處下降了0.027H，在堰上 H 處下降了0.089H，堰頂處下降了0.273H，過堰后水流貼著堰壁下泄，水面在堰頂?shù)匿J緣外側(cè)微微向外凸，之后緊貼堰壁下泄.

由表4可知，矩形薄壁堰自由出流的水面曲線形狀，與文獻(xiàn)［3－4］中的薄壁堰自由出流的水面線形狀基本相同.堰上水頭緩慢下降，堰上3H處下降了0.005H，堰上2H處下降了0.014H，堰上H處下降了0.047H，堰頂上沿處下降了0.171H.堰后有一段漸變流水舌.

2.3 貼壁流水頭H貼與流量Q關(guān)系的試驗

2.3.1 試驗方法和步驟

用水泵給平水塔供水，待平水塔溢流時，打開實驗系統(tǒng)供水管道的閘閥，以小流量開始給堰渠供水，使之成為貼壁堰流;待渠道中的水流穩(wěn)定后，觀測堰上的水位測針讀數(shù)，此讀數(shù)與水位測針在堰頂處的讀數(shù)之差即為當(dāng)前流量下貼壁流的水頭H貼;不改變流量，用木板在堰上水流中用力一劃，使過堰水流形成正常的自由流，待渠道中的水流平穩(wěn)后，觀測自由堰流的水位測針讀數(shù)，此讀數(shù)與水位測針在堰頂處的讀數(shù)之差就是自由堰流時的水頭值H.重新打開閘閥，改變流量大小，重復(fù)上述試驗.

2.3.2 試驗數(shù)據(jù)及計算

(1)以某一指標(biāo)cy為基準(zhǔn)(y=1,2,,N)，組織專家{e1,,et,,eT}利用語言集SRIL(如式(10))對其他指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造偏好矩陣，見式(11)；

共做了30組貼壁流及自由流的水頭與流量關(guān)系的試驗.限于篇幅，表5僅記錄了8個流量間隔基本相同的試驗數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù).表中的流量Q值，是根據(jù)自由堰流的水頭值H，用流量公式

和雷伯克流量系數(shù)公式

計算得出來的.雷伯克公式在小流量時計算結(jié)果較為精確.

表5 自由堰流和貼壁堰流的堰上水位測針讀數(shù)及水頭、流量計算結(jié)果

2.3.3 點繪H－Q關(guān)系曲線

由表5中的數(shù)據(jù)，以流量Q為橫坐標(biāo)，以水頭H為縱坐標(biāo)，分別繪制自由流和貼壁流的H－Q關(guān)系曲線，如圖1所示.由圖1可知，矩形薄壁堰自由流和貼壁流時都有非常穩(wěn)定的水位－流量關(guān)系，點繪的曲線光滑，曲線的形狀和走向穩(wěn)定.

圖1 矩形薄壁堰自由流及貼壁流的H－Q關(guān)系曲線

3 試驗分析

3.1 貼壁流與自由流的比較

1)當(dāng)流量相同時，由前面的試驗數(shù)據(jù)可以計算出，矩形薄壁堰貼壁堰流的水頭要比自由堰流的水頭小14% ～16%，平均小15.2%.

2)當(dāng)堰上水頭相同時，矩形薄壁堰貼壁流的流量比自由堰流的流量大20.8% ～22.4%，平均大21.82%.其中水頭H=2.16 cm的流量值應(yīng)該去掉，因為矩形薄壁堰自由出流情況下，流量公式的適用條件之一是:堰上水頭 H≥2.5 cm［2，4］，水頭 H=2.16 cm不在流量公式的適用范圍之內(nèi)，用它計算出來的流量值不是真實的過堰流量.

3.2 貼壁流流量公式

3.2.1 貼壁流流量公式的擬合

式中:Q為流量，L/s;H為貼壁水頭，cm;m為流量系數(shù);b為堰寬，cm.

令C=mb，則式(1)變?yōu)?/p>

根據(jù)表5中貼壁水頭與流量的數(shù)據(jù)，用最小二乘法擬合矩形薄壁堰貼壁流時的流量公式為

3.2.2 貼壁流流量公式的相關(guān)性分析

由相關(guān)系數(shù)公式

計算得r=0.999 5.遠(yuǎn)大于查相關(guān)系數(shù)顯著性檢查表所得的0.834［5］，說明擬合公式的精度很高.

3.3 水流貼壁的原因

矩形薄壁堰能夠形成貼壁流，且貼壁流能夠在一定的水頭范圍內(nèi)不脫壁形成自由流，可從以下幾個方面分析其原因.

1)水流的慣性力是影響水舌是否貼壁的一個主要因素.在小流量時，過堰水流的流速很小，其慣性力也很小，所以小流量時的慣性力不足以使水流脫壁.

2)水的表面張力是指向水體內(nèi)部的作用力，它是使水流貼壁的力.小流量時，過堰的水流在表面張力和水與堰板界面張力［6－7］的作用下附貼堰壁下泄;表面張力和水與堰板的界面張力與水的溫度有關(guān)，它不隨流量的增加而增加.

4 結(jié)語

從查閱資料的情況看，目前對矩形薄壁堰貼壁堰流進(jìn)行深入系統(tǒng)的試驗研究還比較缺乏.筆者通過試驗研究和理論分析，達(dá)到了預(yù)期的研究目的，取得了初步的研究成果.

［1］華東水利學(xué)院.模型試驗量測技術(shù)［M］.北京:水利電力出版社，1984.

［2］南京水利水電科學(xué)研究院.水工模型試驗［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［3］趙振興，何建京.水力學(xué)［M］.北京:人民教育出版社，2005.

［4］吳持恭.水力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1988.

［5］王能超.數(shù)值分析簡明教程［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［6］夏毓常，張黎明.水工水力學(xué)原型觀測與模型試驗［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［7］王仲發(fā).水工模型試驗中薄壁堰縮尺效應(yīng)分析［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002(4):499－502.

Experimental Research on Hydraulic Characteristics of Wall Pressing Flow for Rectangle Sharp-crested Weir

PENG Ru-wu1，ZHANG Xin2，PENG Ying-hui3
(1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China;2.College of Water Conservancy and Civil Engineering，China Agricultural University，Beijing 100193 China;3.Shandong Water Polytechnic，Rizhao 276826，China)

A phenomenon of wall pressing weir flow is easy to occur when the water freely flows through the rectangle thin-wall weir with an initial stable and small flow rate.The experiments on measuring hydraulic characteristics of wall pressing weir flow were carried out with rectangle thin-wall weirs.The results show that the water surface curve of wall pressing weir flow has a great difference with free weir flow，there is a steady relation between the water head of wall pressing flow and the discharge，which can be expressed as a fitting formula，the flow capacity of wall pressing flow is bigger than that of free weir flow，and the critical head of wall pressing flow is from 4.99 cm to 5.05 cm.Similar to the free flow，the hydraulic characteristics of wall pressing weir flow is stable and regular.

rectangle sharp-crested weir;wall pressing weir flow;experimental research;water head;discharge

1002－5634(2012)03－0023－04

2012－03－09

山東省高等學(xué)校實驗技術(shù)研究項目.

彭儒武(1962—)，男，山東萊蕪人，高級實驗師，碩士，主要從事水工模型試驗方面的研究.

(責(zé)任編輯:陳海濤)