CN104652350A - 一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法，其特征在于：包括：呈等腰三角形的顶板（1）、与所述顶板（1）平行设置的呈燕尾型的底板（2）、连接所述顶板（1）的外侧边和所述底板（2）的外侧面的2块迎水前坡板（3）、与所述顶板（1）的底相重合且顶角向所述底板（2）所在平面倾斜的呈等腰三角形的迎水后坡板（4）、连接所述迎水前坡板（3）的后侧边与所述底板（2）的末端端点的侧翼外墙（5）及连接所述迎水后坡板（4）的腰与所述底板（2）的末端端点的侧翼内墙（6）。本发明提供的一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法，均流装置通过两翼的分流作用，解决了短距离扩散水流平顺衔接的理论与技术难题。

Description

一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法

技术领域

本发明涉及一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法，尤其涉及一种基于三角翼的、利用攻角与导翼使水流侧向适度分流的明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法，属于水利工程技术领域。

背景技术

输水工程中，明渠扩散过渡段的体型与布置是关系到工程安全运行的重要问题。工程实践和试验表明：当明渠扩散段扩散角超出一定范围后，侧壁将发生边界层分离；扩散水流与边界的分离会产生强烈的漩涡运动与大尺度侧壁回流，扩散段水流在漩涡的扰动下，要么不能扩散(主流居中，两侧回流)，要么使主流横向偏移(主流偏一侧，另一侧回流)，总之扩散段下游主流不稳定，回流强烈、恶劣的流态影响工程正常运行。

所以目前输水明渠扩散段的水力设计受规范限制，对过渡段的扩散角都有明确限制，往往只能通过加长扩散段来满足，极大地限制了输水明渠扩散段的设计条件。许多输水明渠或隧洞出口的过渡段受地形地质条件及下游过流条件限制，常常不得不采用短扩散段长度、平面大扩散角的衔接形式。因此，如何均衡稳定大扩散段的水流，寻求一种技术可行、安全可靠的控导措施与设计方法是一个急需解决的重要工程问题，也是一个函待研究的流体力学领域中边界层控制的理论问题。

当水流进入扩散段后，水流在粘滞阻力与惯性力的共同作用下发生边界层分离，在扩散段产生偏流和回流，不仅增大了能量消耗且恶化了水流条件，对泄水工建筑物的安全运行带来不利影响。由于没有很好的实用解决办法，明渠大扩散角过渡段的使用较少，研究成果也很有限。一些学者针对与此相关的水流流动分离问题开展了一些研究，在扩散段内加设导流栅、导流墩、消涡板、立柱、底坎等装置改善扩散段进水流速分布，消除大面积的回流区。

虽然在一定程度上起到分流、促进扩散的作用；但采用措施均不是针对抑制边界层分离，其体型对扩散段水流干扰较大，破坏了水流连续性，引起较大的附加阻力。因此解决大扩散段水流平顺衔接问题，要从抑制边界层分离的角度入手，研究具有较好的水动力特性，同时能较好保持明渠水流连续的均衡流动措施，而这方面的研究成果还较少。大量复杂边界条件下的输水工程，急需明渠平面大扩散段有效的导流设施与实用水力设计方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用三角翼几何形体的流体动力学特性，设计一种潜没式水流调控措施，固定在明渠扩散段底板，使明渠扩散段水流受到均流装置两翼的适度干预控制，调整明渠扩散段过水断面的动量横向分布，实现对大扩散段水流的均衡调整，消除主流摆动不稳及回流现象，有效解决过渡段水流的平顺均匀衔接与下游消能的稳定充分；进一步地，本发明通过合理计算，得出了均流装置分流能力与分流效果呈最优状态的放置位置的参数，并优化了均流装置的体型。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：包括：呈等腰三角形的顶板、与所述顶板平行设置的呈燕尾型的底板、连接所述顶板的外侧边和所述底板的外侧面的2块迎水前坡板、与所述顶板的底相重合且顶角向所述底板所在平面倾斜的呈等腰三角形的迎水后坡板、连接所述迎水前坡板的后侧边与所述底板的末端端点的侧翼外墙及连接所述迎水后坡板的腰与所述底板的末端端点的侧翼内墙。

顶板的外侧边即为顶板的三角形的腰；底板的外侧面为燕尾型的外边；迎水前坡板有两块，对称设置且两块迎水前坡板的前端相连接；侧翼外墙的个数为两个且对称设置；侧翼内墙的个数为两个且对称设置。

所述底板为左右对称结构，对称轴为所述底板的中心线，对称轴两端为两个全等的三角形；呈燕尾型的所述底板中部为呈三角形的空白区，所述空白区的顶点至所述底板的顶点的距离小于所述顶板的高。

三角形的空白区底边空缺。

所述迎水前坡板与侧翼内墙上设置有贯穿的导流孔，所述导流孔与所述顶板相平行设置。

导流孔的个数为两个且对称分布。

所述导流孔为方形，所述导流孔的底边与所述底板的外侧边相重合。

所述导流孔的中心线与所述底板的对称轴平行，垂直于中心线的横切面为圆或者方形，穿过所述迎水前坡板和所述侧翼内墙。

所述顶板的顶角为分流角θ，θ的角度范围为25~ 35°。

所述顶板的顶角修圆，所述侧翼外墙采用直立面与缓坡斜面过渡，所述均流装置的平面转折处均采用圆弧过渡，以减缓所述均流装置遭到的明渠水流的空蚀破坏。

所述迎水前坡板的坡率为1：9~10；所述迎水后坡板的坡率为1：7~8；所述缓坡斜面的坡率为1：4~6。

一种明渠扩散段均流装置安放位置的计算方法，其特征在于：当C_S3断面与跃首断面重合时，明渠水跃呈稳定状态，选择均流装置合适的安放位置就要满足使C_S3断面与跃首断面重合，为了确定均流装置的安放位置，对均流装置末端产生的干扰线进行了分析研究，发现干扰线轨迹具有非常明显的线性关系：

Y=- KX+ C      （1）

式（1）中X为以C_S1断面为起始点沿明渠水流方向的距离，X的长度范围在C_S1断面与跃首断面之间；Y为干扰线末端距明渠边壁的横向距离，根据非棱柱体明渠急流冲击波理论，可以得到系数K，

K=αtan（β）   （2）

式（2）中α代表明渠水流动量横向分布函数的参数；β代表明渠末端水流单宽流量相关的水力参数；

考虑边界条件，

在CS1断面：X= 0时，Y= C= 1/2（B-b）  （3）

在CS3断面：Y= 0时，X= x             （4）

式（3）中B代表明渠宽度；b代表均流装置尾部断面处的宽度；（B-b）代表均流装置尾部断面处的过流宽度；1/2（B-b）代表均流装置尾部端点距离明渠边壁的距离；

式（4）中x代均流装置尾部断面处距跃首断面的长度；

此时可以由式（1）、式（2）、式（3）和式（4）推出均流装置的相对安放位置x/ B：

将式（2）、式（3）代入式（1），得到：

Y=- （αtan（β））X+（B-b）/2      （5）

将式（4）代入式（5），得到：

0=- （αtan（β））x+（B-b）/2       （6）

由式（6）变换可得到：

x=1/2(B-b)/（αtanβ）               （7）

将式（7）的两端均除以B得到：

x/B=1/2(B-b)/[（αtanβ）B]          （8）

由于λ=(B- b)/B

故得出：

x/B=1/2λ/（αtanβ）     （9）

式（9）中λ代表收缩比，λ为均流装置尾部断面处的过流宽度(B- b)与陡明渠宽度B之比；α取值范围在0~1之间；β取值范围在0~90°之间；λ取值范围在0.25~0.42之间；此处的α和β不取两个端点值；

故x/B=0.4～0.6

即当均流装置尾部断面处距跃首断面的长度与明渠宽度的比值在0.4～0.6之间时，C_S3断面与跃首断面重合，明渠水跃呈稳定状态，均流装置的分流能力与分流效果最好；

跃首断面：明渠末端的水流不稳定会出现水跃，取开始出现水跃的断面即为跃首断面；

C_S1断面：均流装置尾部的断面即为C_S1断面；

C_S3断面：均流装置的干扰线达到明渠边壁的断面即为C_S3断面；

三角翼体（即均流装置）末端的断面C_S1和三角翼干扰线达到明渠边墙的断面C_S3为特征断面。

干扰线：均流装置的边界干扰会使均流装置的边壁附近的高速水流产生一系列干扰波，向下游传播和反射，由于明渠的浅层急流对干扰波缺乏反馈抑止作用，这些随机性微小的干扰波就会“愈演愈烈”，形成累加递增，最终导致明渠末端跃首断面动量横向分布失去均衡，使水跃偏移，产生干扰现象，这个干扰想象产生的干扰波所形成的外轮廓线就是干扰线。

非棱柱体明渠急流冲击波理论：明渠急流边界为非棱柱体（收缩、扩散、偏折、弯曲）时形成的特殊急流冲击波，它在纵、横断面上呈凹凸起伏，在平面上呈菱形，形成冲击波后的最大水深随弗劳德数及边墙偏折角的加大而增高。冲击波使明渠水面局部壅高，从而要求边墙加高；冲击波使出口水流部分集中，增加消能困难。当冲击波呈线性关系时，可确定系数K为K=αtan（β）。

所述均流装置的潜没度γ也影响均流装置的分流能力与分流效果；均流装置对明渠水流垂向干扰程度用潜没度γ反映，均流装置的分流能力与潜没度γ成正变关系；当潜没度γ在0.55~0.65时，C_S3断面的动量分布最均衡，均流装置的分流效果最好；

γ代表均流装置厚度h₁与明渠水深h之比；h₁代表均流装置的侧翼外墙的直立面厚度与二分之一的缓坡斜面厚度之和；

当25°<θ< 35°，0.25<λ< 0.42范围内时，当γ> 2.5时，均流装置才会露出明渠水面。

本发明采用水流近均流装置边壁处的动量模比系数K₁和均流装置中间的水流动量模比系数K₂的比值M来衡量三角翼体的分流能力，采用均流装置水流断面动量分布的离差系数C_V来评价三角翼体的分流效果。理论研究与实测成果分析都表明，三角翼体分流能力和分流效果主要取决于分流角θ、收缩比λ、潜没度γ和相对安置位置x/ B。

本发明控导明确的浅层急流采用“介入式”方法，即介入均流装置，既然明渠下游水跃消能存在的问题，是由浅层急流缺乏强大的两翼遏制干扰发展引起的，那么稳定水流就要从调整水流动量的横向分配、强化过流断面两翼动量入手。通过分析及试验研究，提出采用“介入式”控导冲击波方法解决这一问题。其基本原理是：利用宽浅急流干扰波传播与反射的特点，对水流实施适度的整流控导措施，通过调整过流断面水流动量沿横向趋于相对均衡的“马鞍型”分布，来实现水流稳定与改善下游消能状态。“介入式”控导冲击波的技术措施，就是在宽浅明渠中设置潜没式呈三角翼体型的均流装置，使其介入宽浅急流运动，利用冲击波的传播特点调控水流的横向特性，进而获得消力池跃首断面动量分布的稳定态势，最终实现明渠扩散段的平稳泄流和消力池内的充分消能。

消力池即明渠扩散段后面那一段，即较宽的明渠的开始段。

“介入式”调控机理分析：为了达到构建“马鞍型”动量横向分布的目的，在宽浅明渠中轴线设置一个潜没式呈三角翼体型的均流装置，通过翼体的分流作用强化明渠边壁动量，同时为减小介入体（即均流装置）对急流过大的扰动及空化影响，故必须采取淹没潜体形式，翼体前后、左右边缘均按高速水流规范要求设置相应坡度。

在大宽深比的明渠中设置均流装置的试验表明，浅层急流经过均流装置时，在明渠侧壁产生干扰波AB和CD。当流量逐渐增大时，干扰波AB不断下移，两线间夹角β不断变小；当流量增大到使A点达到C点，干扰正波AB和干扰负波CD之间形成一个延伸到明渠边墙的高流速水股，有效地加强了边墙附近的水流动量。此时可以看到消力池内水跃区水滚对称、完整、稳定，紊动混掺强烈，消能充分，池中原有的立轴漩涡全部消失，流态恢复正常，达到了设置潜没式三角翼体的目的。在宽深比相对较大(B/ h> 40)、单宽流量相对较小（0<q<10 m²/s）的试验条件下，设置的潜没式三角翼体明显强化了浅层急流两翼动量。设置的潜没式三角翼体具有对水流动量横向分布的调整作用，这表明“马鞍型”分布就是宽浅明渠中稳定均衡水流的动量横向分布特征。

本发明是一个带有导流孔的三角翼（即均流装置），在明渠扩大段，主要水流在三角翼两翼的作用下向两侧分流，中间部分水流穿过导流孔仍呈直线向下游流动。通过优化体型与布置，使水流受到两翼的适度干预控制，调整过水断面的动量横向分布，实现对大扩散段水流的均衡调整，消除主流摆动不稳及回流现象，有效解决过渡段水流的平顺均匀衔接与下游消能的稳定充分。实现了短距离大扩散角内水流的平顺衔接，解决了流体输送工程中一个重要技术问题，也是对边界层分离与控制理论的一个探索试验研究。提出控导措施且结构简单、形体阻力小，能保持流动的平顺稳定，有效消除了过渡段常见的脱流、回流、偏流现象，且造价低廉、便于施工、易于管理、实用性强。下面具体介绍：本发明作为明渠扩散段均流装置的创新点是：

第一、采用抑制边界层发展的水下介入技术，提出了具有优良的流体动力学特性与简单结构、体型为潜没式三角翼体，可以在大扩散角过渡段水流中应用，实现短距离、大扩散角明渠缓流的横向调控与平顺均衡衔接。

第二、提出了潜没式三角翼体的控导机理：巧妙利用攻角与导翼使水流侧向适度分流，胁迫边界层分离点延后、控制边界层贴壁；设置导流孔有效降低了绕流阻力，适度的潜没保持水流的平顺连续性。

第三、基于潜没式三角翼体型与大扩散段边界的协调一致性，开展针对攻角、潜没度布设位置等关键因子的系列试验研究，达到了大扩散过渡段内破除回流、均化水流动量分布的目的。

第四、三角翼结构形式简单，制作安装方便、工程投资小。针对不同来流条件及扩散边界条件的渠道，可以根据提出的工程设计原则与实用水力设计方法，可以方便的设计出适宜的潜没式三角翼，实现有效控导扩散水流的目的，具有广泛工程适应性。

本发明提供的一种明渠扩散段均流装置及其安放位置的计算方法，均流装置通过两翼的分流作用，调整了过水断面的水流的动量横向分布，实现对大扩散段水流的均衡调整，消除主流摆动不稳及回流现象，有效解决过渡段水流的平顺均匀衔接与下游消能的稳定充分，并且均流装置流体动力特性优良，水流阻力小，解决了短距离扩散水流平顺衔接的理论与技术难题；突破了传统规范的限制，具有很好的推广前景和市场开拓潜力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中均流装置的仰视图；

图3为本发明中干扰线的原理图，其中C_S2断面为介于C_S1断面和C_S3断面之间的断面；

图4为3组水流流速试验测量结果图；

图5为分流角和潜没度对分流能力的影响曲线图；

图6为收缩比和潜没度对分流能力的影响曲线图；

图7为分流角和潜没度对分流效果的影响曲线图；

图8为收缩比和潜没度对分流效果的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1：

如图1~8所示，一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：包括：呈等腰三角形的顶板1、与所述顶板1平行设置的呈燕尾型的底板2、连接所述顶板1的外侧边和所述底板2的外侧面的2块迎水前坡板3、与所述顶板1的底相重合且顶角向所述底板2所在平面倾斜的呈等腰三角形的迎水后坡板4、连接所述迎水前坡板3的后侧边与所述底板2的末端端点的侧翼外墙5及连接所述迎水后坡板4的腰与所述底板2的末端端点的侧翼内墙6。

所述底板2为左右对称结构，对称轴为所述底板2的中心线，对称轴两端为两个全等的三角形；呈燕尾型的所述底板2中部为呈三角形的空白区，所述空白区的顶点至所述底板2的顶点的距离小于所述顶板1的高。

所述迎水前坡板3与侧翼内墙6上设置有贯穿的导流孔7，所述导流孔7与所述顶板1相平行设置。

所述导流孔7为方形，所述导流孔7的底边与所述底板2的外侧边相重合。

所述导流孔7的中心线与所述底板2的对称轴平行，垂直于中心线的横切面为圆，穿过所述迎水前坡板3和所述侧翼内墙6。

所述顶板1的顶角为分流角θ，θ为25°。

所述顶板1的顶角修圆，所述侧翼外墙5采用直立面与缓坡斜面过渡，所述均流装置的平面转折处均采用圆弧过渡，以减缓所述均流装置遭到的明渠水流的空蚀破坏。

所述迎水前坡板3的坡率为1：9；所述迎水后坡板4的坡率为1：7；所述缓坡斜面的坡率为1：4。

一种明渠扩散段均流装置安放位置的计算方法，其特征在于：当C_S3断面与跃首断面重合时，明渠水跃呈稳定状态，选择均流装置合适的安放位置就要满足使C_S3断面与跃首断面重合，为了确定均流装置的安放位置，对均流装置末端产生的干扰线进行了分析研究，发现干扰线轨迹具有非常明显的线性关系：

Y=- KX+ C      （1）

式（1）中X为以C_S1断面为起始点沿明渠水流方向的距离，X的长度范围在C_S1断面与跃首断面之间；Y为干扰线末端距明渠边壁的横向距离，根据非棱柱体明渠急流冲击波理论，可以得到系数K，

K=αtan（β）   （2）

式（2）中α代表明渠水流动量横向分布函数的参数；β代表明渠末端水流单宽流量相关的水力参数；

考虑边界条件，

在CS1断面：X= 0时，Y= C= 1/2（B-b）  （3）

在CS3断面：Y= 0时，X= x             （4）

式（3）中B代表明渠宽度；b代表均流装置尾部断面处的宽度；（B-b）代表均流装置尾部断面处的过流宽度；1/2（B-b）代表均流装置尾部端点距离明渠边壁的距离；

式（4）中x代均流装置尾部断面处距跃首断面的长度；

此时可以由式（1）、式（2）、式（3）和式（4）推出均流装置的相对安放位置x/ B：

将式（2）、式（3）代入式（1），得到：

Y=- （αtan（β））X+（B-b）/2      （5）

将式（4）代入式（5），得到：

0=- （αtan（β））x+（B-b）/2       （6）

由式（6）变换可得到：

x=1/2(B-b)/（αtanβ）               （7）

将式（7）的两端均除以B得到：

x/B=1/2(B-b)/[（αtanβ）B]          （8）

由于λ=(B- b)/B

故得出：

x/B=1/2λ/（αtanβ）     （9）

式（9）中λ代表收缩比，λ为均流装置尾部断面处的过流宽度(B- b)与陡明渠宽度B之比；α取值范围在0~1之间；β取值范围在0~90°之间；λ取值范围在0.25~0.42之间；此处的α和β不取两个端点值；

故x/B=0.4～0.6

即当均流装置尾部断面处距跃首断面的长度与明渠宽度的比值在0.4～0.6之间时，C_S3断面与跃首断面重合，明渠水跃呈稳定状态，均流装置的分流能力与分流效果最好；

跃首断面：明渠末端的水流不稳定会出现水跃，取开始出现水跃的断面即为跃首断面；

C_S1断面：均流装置尾部的断面即为C_S1断面；

C_S3断面：均流装置的干扰线达到明渠边壁的断面即为CS3断面；

干扰线：均流装置的边界干扰会使均流装置的边壁附近的高速水流产生一系列干扰波，向下游传播和反射，由于明渠的浅层急流对干扰波缺乏反馈抑止作用，这些随机性微小的干扰波就会“愈演愈烈”，形成累加递增，最终导致明渠末端跃首断面动量横向分布失去均衡，使水跃偏移，产生干扰现象，这个干扰想象产生的干扰波所形成的外轮廓线就是干扰线。

所述均流装置的潜没度γ也影响均流装置的分流能力与分流效果；均流装置对明渠水流垂向干扰程度用潜没度γ反映，均流装置的分流能力与潜没度γ成正变关系；当潜没度γ在0.55时，C_S3断面的动量分布最均衡，均流装置的分流效果最好；

γ代表均流装置厚度h₁与明渠水深h之比；h₁代表均流装置的侧翼外墙的直立面厚度与二分之一的缓坡斜面厚度之和；

当25°<θ< 35°，0.25<λ< 0.42范围内时，当γ> 2.5时，均流装置才会露出明渠水面。

实施例2：

如图1~8所示，一种明渠扩散段均流装置，θ为35°；所述迎水前坡板3的坡率为1：10；所述迎水后坡板4的坡率为1：8；所述缓坡斜面的坡率为1： 6；潜没度γ在0.65时，C_S3断面的动量分布均衡，均流装置的分流效果好。其余内容同实施例1。

实施例3：

如图1~8所示，一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：

分流角θ：为避免产生水流与三角翼体的分离现象，分流角应满足使水流尽量平顺的绕过三角翼体。在试验中当分流角为25°、30°、35°时，水流均比较平顺的绕过翼体，未发生分离现象。从三角翼体分流能力对比图上可以看出：收缩比一定时，分流角越小，分流能力越强。从分流效果图上可以看出：当分流角θ= 30°时，断面C_S3的C_V值最小，动量分布最均衡。

收缩比λ：收缩比反映了三角翼体对明渠的横向干扰程度，在满足分流能力强的前提下尽可能采用较小的λ值。当分流角θ一定，收缩比λ=0.33时,三角翼体的分流能力最强。这是因为收缩比λ较小时，三角翼体对水流收缩较小，分流能力低；但是收缩比λ过大时，由于收缩过于强烈，水流大部分从墩顶漫过，所以分流能力也不高。从分流效果可以看出：当收缩比λ=0.33时，断面C_S3的动量分布最均衡。

潜没度γ：三角翼体对明渠水流垂向干扰程度可以用潜没度反映，它既要满足底层分流、调整动量分布，又要使上层水流保持连续。三角翼能根据流量的大小调整自己的分流能力，同时三角翼体的分流能力与潜没度成正变关系。流量大时，明渠下游水跃稳定性强，三角翼体的分流作用随之减弱；流量小时，陡槽下游水跃稳定性差，三角翼体分流作用自动增强。当潜没度γ=0.61时，断面C_S3的动量分布最均衡，这从分流效果看得很清楚。三角翼体边缘设有缓坡斜面，即使三角翼体厚度与水深相同，水流照样漫顶；在25°<θ< 35°，0.25<λ< 0.42范围内，试验表明，当γ> 2.5时，三角翼体才会露出水面。

相对安放位置x/ B：分析沿水流方向不同断面的动量离差系数C_V可以看出：在C_S3断面处，干扰线刚好传到明渠边壁，这个断面两侧的动量得到了加强， C_S3断面的离差系数最小，动量分布最均衡。选择三角翼合适的安放位置就要满足使_CS3断面与跃首断面重合，这样陡槽末端主流与相应下游水跃是对称稳定的，消力池内挤压水跃的折冲回流区就会消失。干扰波的传播特点决定了跃首断面位于C_S3断面以上或以下，水跃都不能稳定。为了确定三角翼体的安放位置，对三角翼体末端产生的干扰线进行了分析研究并确定了当均流装置尾部断面处距跃首断面的长度与明渠宽度的比值在0.4～0.6之间时，C_S3断面与跃首断面重合，明渠水跃呈稳定状态，均流装置的分流能力与分流效果最好。

三角翼体型均流装置的几何参数设计：

减缓空蚀的设计：

为了减缓三角翼体可能遭到的空蚀破坏，三角翼体的顶角必须修圆，侧边墙采用直立面与缓坡斜面过渡，平面转折处均采用圆弧过渡；缓坡斜面坡率均必须满足抗空化空蚀的规范要求。迎水前坡板与迎水后坡板分别宜采用1∶9.5和1∶7.5的坡率，两侧缓坡斜面坡率也采用1∶5。由于迎水前坡板的坡度很缓，三角翼又为潜体，试验表明三角翼头部对水流干扰不大，迎水前坡板的坡坡面压力比静压（静压即水给予均流装置的压力）大；背水后坡板的坡面也很缓，虽然压力（此处的压力为水压力、均流装置的自重力及水流动产生的压力）较小但也没有出现负压，空蚀破坏的可能不大。三角翼体适用于流速v= 6～10m/s，应安放在明渠边界层已充分发展，水流已充分掺气的区域。

其余内容同实施例1。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：包括：呈等腰三角形的顶板（1）、与所述顶板（1）平行设置的呈燕尾型的底板（2）、连接所述顶板（1）的外侧边和所述底板（2）的外侧面的2块迎水前坡板（3）、与所述顶板（1）的底相重合且顶角向所述底板（2）所在平面倾斜的呈等腰三角形的迎水后坡板（4）、连接所述迎水前坡板（3）的后侧边与所述底板（2）的末端端点的侧翼外墙（5）及连接所述迎水后坡板（4）的腰与所述底板（2）的末端端点的侧翼内墙（6）。

2.根据权利要求1所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述底板（2）为左右对称结构，对称轴为所述底板（2）的中心线，对称轴两端为两个全等的三角形；呈燕尾型的所述底板（2）中部为呈三角形的空白区，所述空白区的顶点至所述底板（2）的顶点的距离小于所述顶板（1）的高。

3.根据权利要求1所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述迎水前坡板（3）与侧翼内墙（6）上设置有贯穿的导流孔（7），所述导流孔（7）与所述顶板（1）相平行设置。

4.根据权利要求3所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述导流孔（7）为方形，所述导流孔（7）的底边与所述底板（2）的外侧边相重合。

5.根据权利要求3所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述导流孔（7）的中心线与所述底板（2）的对称轴平行，垂直于中心线的横切面为圆，穿过所述迎水前坡板（3）和所述侧翼内墙（6）。

6.根据权利要求1所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述顶板（1）的顶角为分流角θ，θ的角度范围为25~ 35°。

7.根据权利要求6所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述顶板（1）的顶角修圆，所述侧翼外墙（5）采用直立面与缓坡斜面过渡，所述均流装置的平面转折处均采用圆弧过渡，以减缓所述均流装置遭到的明渠水流的空蚀破坏。

8.根据权利要求7所述的一种明渠扩散段均流装置，其特征在于：所述迎水前坡板（3）的坡率为1：9~10；所述迎水后坡板（4）的坡率为1：7~8；所述缓坡斜面的坡率为1：4~6。

9.一种明渠扩散段均流装置安放位置的计算方法，其特征在于：当C_S3断面与跃首断面重合时，明渠水跃呈稳定状态，选择均流装置合适的安放位置就要满足使C_S3断面与跃首断面重合，为了确定均流装置的安放位置，对均流装置末端产生的干扰线进行了分析研究，发现干扰线轨迹具有非常明显的线性关系：

Y=- KX+ C      （1） 

式（1）中X为以C_S1断面为起始点沿明渠水流方向的距离，X的长度范围在C_S1断面与跃首断面之间；Y为干扰线末端距明渠边壁的横向距离，根据非棱柱体明渠急流冲击波理论，可以得到系数K，

K=αtan（β）   （2）

式（2）中α代表明渠水流动量横向分布函数的参数；β代表明渠末端水流单宽流量相关的水力参数；

考虑边界条件，

在C_S1断面：X= 0时，Y= C= 1/2（B-b）  （3）

在C_S3断面：Y= 0时，X= x             （4）

式（3）中B代表明渠宽度；b代表均流装置尾部断面处的宽度；（B-b）代表均流装置尾部断面处的过流宽度；1/2（B-b）代表均流装置尾部端点距离明渠边壁的距离；

式（4）中x代均流装置尾部断面处距跃首断面的长度；

此时可以由式（1）、式（2）、式（3）和式（4）推出均流装置的相对安放位置x/ B：

将式（2）、式（3）代入式（1），得到：

Y=-（αtan（β））X+（B-b）/2      （5）

将式（4）代入式（5），得到：

0=-（αtan（β））x+（B-b）/2       （6）

由式（6）变换可得到：

x=1/2(B-b)/（αtanβ）               （7）

将式（7）的两端均除以B得到：

x/B=1/2(B-b)/[（αtanβ）B]          （8）

由于λ=(B- b)/B

故得出：

x/B=1/2λ/（αtanβ）     （9）

式（9）中λ代表收缩比，λ为均流装置尾部断面处的过流宽度(B- b)与陡明渠宽度B之比；α取值范围在0~1之间；β取值范围在0~90°之间；λ取值范围在0.25~0.42之间；此处的α和β不取两个端点值；

故x/B=0.4～0.6

即当均流装置尾部断面处距跃首断面的长度与明渠宽度的比值在0.4～0.6之间时，C_S3断面与跃首断面重合，明渠水跃呈稳定状态，均流装置的分流能力与分流效果最好；

跃首断面：明渠末端的水流不稳定会出现水跃，取开始出现水跃的断面即为跃首断面；

C_S1断面：均流装置尾部的断面即为C_S1断面；

C_S3断面：均流装置的干扰线达到明渠边壁的断面即为CS3断面；

干扰线：均流装置的边界干扰会使均流装置的边壁附近的高速水流产生一系列干扰波，向下游传播和反射，由于明渠的浅层急流对干扰波缺乏反馈抑止作用，这些随机性微小的干扰波就会“愈演愈烈”，形成累加递增，最终导致明渠末端跃首断面动量横向分布失去均衡，使水跃偏移，产生干扰现象，这个干扰想象产生的干扰波所形成的外轮廓线就是干扰线。

10.根据权利要求9所述的一种明渠扩散段均流装置安放位置的计算方法，其特征在于：所述均流装置的潜没度γ也影响均流装置的分流能力与分流效果；均流装置对明渠水流垂向干扰程度用潜没度γ反映，均流装置的分流能力与潜没度γ成正变关系；当潜没度γ在0.55~0.65时，C_S3断面的动量分布最均衡，均流装置的分流效果最好；

γ代表均流装置厚度h₁与明渠水深h之比；h₁代表均流装置的侧翼外墙的直立面厚度与二分之一的缓坡斜面厚度之和；

当25°<θ< 35°，0.25<λ< 0.42范围内时，当γ> 2.5时，均流装置才会露出明渠水面。