CN1103691A - 敞开流的液力分支方法和以液力工作的分支渠道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用液力分支敞开流的方法，该敞 开流至少有一股直线流动的具有一定冲量的主流和 一股或数股支流，特点在于，一股数量级小于主流的 冲击流被引向主流和分支流之间的一个公共拐角 上。

Description

本发明涉及一种对敞开流进行液力分支的方法，该敞开流至少有一股按直线流动的具有一定冲量的主流和一股或数股支流。

本发明的主题还涉及这种以液力工作的分支渠道，用于分配明渠中的液体，尤其是水。

最后本发明的主题还涉及上述方法和分支渠道在水利工程、居民区供水设施和灌溉技术上的应用。

在水力学的特殊应用中涉及到明渠的渠道分离问题，亦即在那些必须对水进行分配的领域。这种问题不仅出现在水利工程中，而且也出现在供水设施和灌溉领域中。当必须用灌溉设备向田间引水时，在废水区域常常通过分配渠将纵侧的水供给一个贮水池。在所有的应用中，均匀分配的特殊情况起着重要的作用。常规分支渠道的很大的缺陷在于，由于脱流现象和弯道的影响，至今还不能均匀地或可控制地实行水的分配。此外，复杂的现象几乎不能进行基本的分析。

分支问题中主要是涉及流量的分配，亦即侧边分叉支渠道和直通主渠道中的流量比例关系。分支流的作用持续受到宽度比ba/bo（ba是分支渠道的宽度，bo是上游渠道的宽度）、分支角β和流量比q＝Qa/Qo（Qa为分支渠道中的分流量，Qo为入口流量）的影响。

相互分离的流体的流动情况使支渠内侧处有一个死水区，在下游渠道的外侧则有一个不太明显的脱流区。此外，在分支边缘处出现一个带底层脱流的典型的滞点流，表面层上的分离流流线大约沿轴向左两个分支之间朝着分支边缘延伸，相反，分支边缘在底部则延伸到下游渠道中。由此形成一股与脱流区一致的副流，它引起一股沿支渠方向的底部流。主流上叠加一个螺旋的副流，该副流在表面层向外流动，在底层沿内侧方向流动。同样典型还有沿弯曲中点方向的水面坡度。

本发明的目的在于提供一种对敞开流进行液力分支的方法，这种方法简单有效，能很好地控制并且尽可能地不依赖于水位、流入量、分支角和渠宽。

本发明的目的还在于提供对敞开式渠道配水的以液力工作且结构简单的分支渠道，由此保证能不依赖于水位、流入量、分支角和渠道等因素而更好地控制水的分配。

应用上述敞开流液力分支方法时，上述目的是通过将一股数量级小于主流的冲击流引向一个位于主流和分支流之间的公共拐角而实现的。该冲击流最好是主流冲量的百分之一。

令人惊奇的是，利用这一很小的冲击流，就可以控制分支，使得主流的一部分即支流作为整体贴附在弯曲的壁上并将支流输送到渠道中，同时又不存在影响通流能力的副流和死水区。

按照本发明，用于分配敞开式渠道中的液体，尤其是水的、以液力工作的分支渠道包含：

a）一个在上游渠道和支渠道之间的尤其是成圆弧的公共拐角，

b）一个朝着拐角会拢的壁，该壁走向是沿着上游渠道的朝着拐角延伸的壁，

c）上述壁和拐角一起构成一个出流缝隙，其中在利用附壁效应下射出的冲击流作为贴壁射流贴附在圆弧角的边界上。

在本发明所述方法的一具体方案中，主流壁在分支处之前是盆状地扩展而过渡到支流壁，并且是成圆角的。

通过具有较高势能的冲击流有目的地产生附壁效应，以便转向。

在没有利用外部能量的情况下就可以使该射流在直到缝隙之前受到堵拦（壅水作用），并使之从缝隙中射出并贴附弯曲的壁，由此使流场均匀地变形。

在本发明的另一个具体的方案中，可以将具有外部水流的小冲量流作为外部冲量加入。例如可以这样来做：在主流壁外部，例如与主流平行地将一股外部冲击流（例如一外部水流）引到直至圆弧角的拐角区域，然后由外部冲击流承担起将部分流围绕拐角输送的任务。

尤其有趣的是可以根据出流冲量的大小控制在分支渠道中所要求的液体介质（尤其是水）的分配。

分支渠道可以有这样的结构，即可以改变圆拐角处的偏转角α（相应于分支角β），从而可以构成不同的出流缝隙。

上游中的置入壁可以在整个水深范围上都是平直的。

当要求渠底能输送很多的水时，对于这种任务（或要求），可以根据由要求的结构预先确定的功能在水深范围上改变置入壁的形状，例如使壁在端视图上呈现斗形，即缝隙宽度从上向下按抛物线形状由大逐渐变成很窄的情况。

当出于某些原因，希望例如使主流底部的水很少而冲击流底部的水很多，以便以一定的方式对冲量施加影响时，例如使冲击重心下降，则可以设置一个倒斗形结构，此时缝隙宽度从上向下按照倒抛物线逐渐扩展。

因此，按照预先规定的不同功能，可以在水深范围上按照要求的结构进行变形。

重要的是在每一种情况下圆拐角要与设在对面的壁构成出流缝隙。

应该认识到，人们已经试图通过在分支渠道区域中设置各种结构件或采取其它结构措施例如凹角，以及使下游渠道变窄来实现水在分支渠道中均匀且可控制地分配，然而却从未采取液力措施和利用所谓的附壁效应来实现这一目的。

众所周知，分支渠道的作用方式始终受到宽度比ba/bo、分支角β和流量比q＝Qa/Qo的影响。其结果是，水在下游渠道上的分配总是变化的，因此分配一直是不均匀的，或者仅在极少的情况下才存在这种均匀的分配。这意味着本发明的措施向前迈了大的一步。

本发明所取得的优点在于，可以通过从缝隙中流出的液体射流来控制水的分配。该射流此时是利用附壁效应贴附在圆弧角的边界上。与通常支渠不同，这样汇入支渠中的贴壁射流使得支渠内侧不会产生脱流区，下游渠外侧不会形成死水区。

从整个渠道横截面上看，流态相对于分离流流线是均匀变形的。这种流动分布不仅能进行定性分析，而且能进行数字计算。同样有重要意义的是，当支渠和下游渠道中各分配50%的水量时，则为此对缝隙出来的射流所要求的冲量只是主流冲量的百分之一。

一般地，附壁效应可理解为将一股射流朝着一个弯曲的壁偏转。贴附作用是基于壁侧射流边缘区域存在负压作用。敞开式渠道是指无压流渠道。

下面结合附图详细描述本发明的一些实施例。附图中，

图1是第一个实施例的示意俯视图，

图2a、2b、2c是从图1的上游渠道看的端视图，

图3-5是表示出与图1的结构不同的其它几个实施例。

在图1所示的实施例中示出了一个T形分支1。一个置于上游渠道2中的壁3沿一条弯曲线路一直延伸成圆角的拐角4旁边。置入的壁3与上游渠道的沿弯曲线路外扩的侧壁5一起构成一个小的侧渠道6，它朝向圆拐角方向逐渐收缩，直到近似恢复到主流的上游渠道的原始宽度bo。相对于上游渠道的用虚线表示的直线而言，上游渠道的向外延伸的侧壁5开始时从直线向外很平缓弯曲，之后在圆拐角4之前弯度逐渐加大，形成盆状结构。壁5连续向外扩展。在由此形成的小的侧渠道6中流动的水在直到缝隙7的区域中受到很大地拦阻。这是由于在置入壁3和相对一侧的圆拐角4之间构成的狭窄出流缝隙7造成的。

按照本发明，水Qo在图1中沿箭头方向流向T形分支。置入的壁3在上游中造成一定程度的壅水，这种壅水在侧渠道6中一直保持到出流缝隙处。由于在紧接着的T形分支的区域又恢复到近似于正常的水深，从而在侧渠道6和支渠道1之间存在一个位差，该位差造成一股液体射流从出流缝隙7射出并且该射流由于附壁效应而沿着圆拐角4流向支渠道1。其结果是流场在T形分支中的变形是均匀的，从而实现了按照流出冲量的大小对水进行所需要的分配。

图2a-2c示出了这些情况的一些可能的变型，即可以用来控制射流的流出冲量的几种可能性。图2a中所示的置入壁3在整个水深范围上是直的，而图2b中它在水深范围上是斗形的，图2c中则是倒斗形的，根据注入的液体量Qo的不同，这些结构在上游渠道2中造成不同程度的壅水，从而也使射流的流出冲量可以据此而变化。如果按照图2a，侧渠道中在水深范围上的通流量分布从上到下是相同的，那么由于图2b的壁3所具有的抛物线形结构该通流量的分布是逐渐减小，按照图2c的倒抛物线形结构则通流量是逐渐增大的。

壁3的设置方式使壁上不会出现分离现象。

在本发明另外方案中，置入壁3可以由一块较薄的金属板构成，以使由侧渠道将主渠道中的流体隔开。在废水渠道中可以采用特种钢。这种壁3的弯曲或会聚伸展相对于主流方向不应倾斜到8°以上，以保证产生所希望的效果。

图3示出了本发明的一个实施例，它可以应用于分支角在10°-160°范围中变化的情况;图中相同的标号表示相同的部分。

图4示出了本发明的另一个实施例，将一股外部冲击流引到圆弧角的拐角区域，由外部冲击流承担起将部分流围绕拐角输送的任务。

图5示出了带有两个分支渠道的实施例，其中都注出了宽度ba和流量Qa。该实施例采用了外部能量-冲量Qf并且结构是对称的，相互相对地设置有两个出流缝隙7。

Claims (17)

1、对敞开流进行液力分支的方法，该敞开流至少有一直线流动的具有一定冲量的主流和一股或多股支流，其特征是，一股数量级小于主流的冲击流被引向主流和分支流之间的一个公共拐角。

2、按权利要求1的方法，其特征是，冲击流为主流冲量的1/100。

3、按前述权利要求中之一的方法，其特征是，主流的壁在分支处之前盆状扩展，以圆角过渡到支流的壁中。

4、按前述权利要求中之一的方法，其特征是，为了转向，通过具有较高位能的冲击流产生附壁效应。

5、按权利要求4的方法，其特征是，造成一股射流，该射流在一缝隙之前被拦阻，使之从该缝隙中射出并贴附在弯曲的壁上，从而使流场均匀变形。

6、按前述权利要求中之一的方法，其特征是，具有外部水流（Qf）的水冲击射流作为外部冲量供入。

7、按前述权利要求中之一的方法，其特征是，水在分支渠道中进行所希望的分配可以根据流出冲量的大小进行控制。

8、用于在敞开式渠道中分配液体（尤其是水）的液力工作的分支渠道包括：

a）一个在上游渠道和支渠道之间的尤其是成圆角的公共拐角，

b）一个朝着拐角（4）会拢的壁（3），该壁相对于上游渠道的朝着拐角（4）延伸的壁设置，

c）壁（3）和拐角（4）一起构成一个出流缝隙（7），其中在利用附壁效应下射出的冲击流作为贴壁射流贴附在圆拐角（4）的边界上。

9、按权利要求8的分支渠道，其特征是，利用附壁效应使射出流缝隙（7）的射流偏转到支渠（1）中。

10、按权利要求7-9中之一的分支渠道，其特征是，在圆拐角（4）处与分支角（β）相对应的偏转角（α）是可改变的。

11、按权利要求8-10中之一的分支渠道，其特征是，可以构造各种不同大小的出流缝隙（7）。

12、按前述权利要求中之一的分支渠道，其特征是，上游（2）中的置入壁（3）按照由要求的预先规定的壅水功能而在水深范围上相应地变形。

13、按权利要求12的分支渠道，其特征是，壁（3）在端视图中是斗形或倒斗形的。

14、按前述权利要求中之一的分支渠道，其特征是，供入一外部水流（Qf）作为外部冲量，用于产生从缝隙（7）出来的射流。

15、按前述权利要求中之一的分支渠道，其特征是，上游渠道（主流）朝着圆拐角延伸的壁（5）是盆状向外凸出的结构。

16、按权利要求15的分支渠道，其特征是，从直线（6）偏离的过渡段开始时非常平缓地弯曲，之后在朝着圆拐角（4）的过渡段之前显著变形，以形成盆状结构。

17、按照权利要求1-7中之一的方法以及按权利要求8-16中之一的分支渠道，其特征是，该方法和分支渠道用于水利工程，居民区供水设施和灌溉技术上。

Images