计算评估水翼型堰中流动动力学与湍流产生

为何在河道中塑造一面简单的障碍物至关重要

当工程师修建大坝、溢洪道或灌溉渠道时，常常依靠称为堰的低矮墙体来测量和控制流量。一种较新的形式是水翼型堰，它具有光滑、似翼的堰顶，能让水流平滑地滑过。本文提出了一个看似简单却有重大实际意义的问题：那道光滑堰顶的厚度在多大程度上改变了水流的速度、压力和搅动（湍流）——这又对能量损失、结构安全和流量测量的准确性意味着什么？

形如机翼，功能如阀门

水翼型堰的设计有点像横放在渠道底部的飞机翼。水流不再遇到尖锐的台阶，而是与曲面接触，沿着曲面上升并滑过堰顶，下游近表面处形成高速射流。与传统堰相比，这类形状可以更平稳地通过更多水量并减少能量浪费。然而工程师们尚未对不同堰顶厚度——较薄与较厚“翼板”——如何改变流动有一个清晰的定量认识，尤其是在湍流方面，湍流既耗散能量又可能对结构产生应力。本文通过在不同流量条件下比较若干种水翼形状来填补这一空白。

精细模拟流动水体

由于在实验水槽中精确测量每一个涡旋十分困难，作者们转而使用高分辨率计算机模拟。他们对在狭长渠道中流过三种具有相同长度但厚度不同的水翼形堰的水流进行了建模。虚拟水体遵循与现实相同的物理规律，采用常用的一组方程来平均掉最小尺度的涡旋，同时仍能捕捉流动的总体结构和自由水面。在探索新形状之前，团队将数值方法与早期的实验数据进行了比对，发现模拟速度与实测值在几个百分点之内吻合，这为模型可靠地探究堰顶厚度如何影响流动行为提供了信心。

厚度如何重塑速度与压力

模拟显示，堰顶厚度强烈影响水在堰体上游和下游近侧的流速，但这些差异会随着下游距离逐渐消失。较厚的堰顶产生更早形成且更快的表面射流，近表面速度比薄堰顶高出约20%，上部流层的高速度区也更宽。然而在更远的下游，所有形状的速度逐渐趋同。压力分布也有类似表现：较厚堰顶在上游诱发更强的局部压力峰值，并在堰顶正后方形成更急剧的压降——在相同流量下差异可达约15%。但在下游几十分之几米内，压力恢复到近静水状态，类似平静水域，这表明形状效应主要局限于堰顶的近场区域。

额外搅动何时有利、何时有害

最显著的差异出现在流动的湍流特性上。最厚的堰顶在近表面和中深度区域产生显著更高的湍动能、湍流强度与耗散率。实际上，这意味着更强的垂直混合和更有效的动力学能量耗散——与最薄堰顶相比，这些差异可达大约30%–40%。当目标是安全地耗散能量（例如大坝下游的溢洪道）时，这可以是很大的优势。但同时更强的湍流也带来更大的波动载荷作用于混凝土和钢结构，增加表面不稳定的可能性，并提高空化等问题的风险，即在极低压下对表面造成损伤。相比之下，较薄的堰顶使速度和压力场更平顺，湍流在下游更快衰减，有利于流态稳定和更可靠的流量测量。

在平静控制与安全耗能之间寻求平衡

简而言之，研究表明水翼型堰中“翼板的厚度”像一个在平静控制和积极耗能之间切换的旋钮。较厚的堰顶会在堰后立即将更多有序运动转化为旋转湍流，有助于快速耗散能量，但会增加局部载荷和潜在磨损。较薄的堰顶则使流动更有序，压力变化更温和、搅动更少，有利于精确计量和结构舒适性，但在除能方面效率较低。通过详细描绘这些权衡，本文为设计者在选择和调整水翼堰以满足不同目的（无论是静静地在渠道中测量流量，还是安全地驯服大坝倾泻的强劲射流）提供了更清晰的指导。

引用: Ghaderi, A., Rezaei, A.H., Mohammadnezhadaghdam, A.H. et al. Computational assessment of flow dynamics and turbulence generation in hydrofoil-crested weirs. Sci Rep 16, 8394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39825-5

关键词: 水翼型堰, 湍流, 能量耗散, 计算流体力学, 明渠流