明渠交汇口水流分离区研究.pdfVIP

第16卷第1期 水科学进展 V01．16．No．1 2005年1月 ADVANCESINWA7rERSCIENCE Jan．，2005 明渠交汇口水流分离区研究 茅泽育，赵升伟，罗 异，张 磊 (清华大学水利水电工程系，北京 l00084) 摘要：支流汇入主流后，在明渠交汇口下游附近形成分离区，造成过流断面束窄。采用水力学基本理论及试验手 段，对等宽明渠交汇口水流分离区的形状及尺寸进行了理论分析和试验研究，提出了分离区收缩系数及能量损失 系数的理论表达式并与试验结果进行了比较。研究结果表明，随交汇角或主支流流量相对大小不同，分离区尺寸发 生变化；对于给定交汇口几何形状及尺寸，分离区形状基本保持不变，但分离区尺寸随流量比变化并具有较好的相 关关系，并随交汇角增大呈有规律增加。 关 键词：明渠交汇口；水流；分离区；收缩系数；能量损失 中图分类号：’Ⅳ133 文献标识码：A 文章编号：1001．6791(2005)01—0007．06 明渠水流交汇存在于很多水力系统中，正确阐述水流交汇混掺导致的特殊水力现象，具有重要理论与实际 意义[·～3]。不少研究者针对各种几何形状交汇口及不同水流条件分别从能量方程、动量方程及势流理论等途径 对汇流口流动进行过探索‘·～9|，然而，由于边界几何形状复杂性和自由水面的存在，很多因素影响交汇口水流 流动，至今尚有许多水力现象有待于进一步研究[3|，其中之一就是交汇口下游分离区特性研究。与射流问题研 究形成鲜明对比，对后者的水流分离区现象研究至今已有许多研究成果。 如图1所示，支流进入主渠后，在邻近交汇口下游靠 支渠侧F点附近形成分离区，束窄过流断面；外部水流 一 |＼ f ， 收缩，形成折向主槽外侧边壁收缩区。分离区导致渠道过 ∥ 盱Ⅳ％ Q。 “ 流能力严重减小，并引起输移物沉积等。因此，正确确定 卫j。／土．，≮Jj念帆订TnTh 分离区形状及尺寸，对于确定交汇口下游附近渠道有效过 流断面，研究泥沙及含有物质输移及淤积、渠底及边壁冲 刷等具有重要意义。Modi等L51采用势流理论对分离区几 『|二炎鬈攀 何特征进行了研究，并提出了数学模型。但是，由于所做H 的种种近似假设，其计算结果与试验结果相比误差较大。 图1交汇口水流流动特征示意图 Best‘101通过对水面投放示踪剂结合拍照，在交汇口上下游 SketchofnowcharacteIisticsat Fig．1 open—channeljunction 水深相等条件下，对近水面分离区形状进行了实验研究； 论分析。但是，最大收缩断面上的临界流假定需要进一步商榷。为了简单方便，以往大多交汇水流模型普遍采 用水面刚盖近似。实际上，由于水流加速运动及分离区形成，在汇流口附近往往产生较大水深变化。 有鉴于此，本文采用水力学基本理论及试验手段对于支渠交汇口分离区形状及尺寸进行了理论分析和试验 研究，并提出了分离区收缩系数弘及能量损失系数车的解析表达式。 收稿日期：20()4一Ol—12；修订日期：2004一04一10 基金项目：国家自然科学基金资助项目 作者简介：茅泽育(1962一)，男，浙江绍兴人，博士，主要从事计算水力学及河流动力学研究。 E-mail：maozeyu@tsinghua．edu．cn 8 水科学进展 第16卷 1水深平均收缩系数p