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摻氣折流器對(duì)側(cè)空腔和底空腔長(zhǎng)度的影響

2007-02-12 14:53    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘要:在突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施中,為保證摻氣效果,增加底空腔的長(zhǎng)度,加設(shè)折流器是有效的工程措施。試驗(yàn)證明,折流器坡度和高度對(duì)空腔長(zhǎng)度均有影響,較高的折流器增加空腔長(zhǎng)度明顯,且使底空腔與側(cè)空腔貫通,有利于底空腔充分摻氣。回溯水流使底空腔變短,有效空腔長(zhǎng)度是影響摻氣效果的重要因素。在空腔長(zhǎng)度的計(jì)算中應(yīng)綜合考慮,頂板坡角,跌坎挑角和折流器體型的影響,得出的計(jì)算公式有實(shí)際應(yīng)用和理論意義。

  關(guān)鍵詞:摻氣 折流器 底空腔 側(cè)空腔 射流

  對(duì)于高水頭泄水建筑物來說,除了要解決高速水流引起的空腔破壞外,閘門止水的安全和優(yōu)化問題也日漸突出。利用突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施一方面可以滿足摻氣減蝕的要求,另一方面適合于偏心鉸弧門采用同曲面液壓密封框止水,可保證閘門止水的安全可靠和優(yōu)良運(yùn)行。但突擴(kuò)摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù),在國(guó)內(nèi)外已建工程中均有遭到空蝕破壞的事例,其原因尚未完全搞清楚。因此通過試驗(yàn)來研究突擴(kuò)突跌摻氣水流的規(guī)律,在側(cè)墻加設(shè)折流器后對(duì)空腔特性、壓力分布、摻氣濃度所造成的影響等有現(xiàn)實(shí)意義。

  1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

  試驗(yàn)研究在三峽工程泄洪深孔突擴(kuò)突跌摻氣水工模型上進(jìn)行。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),模型比尺為1∶25,模型最大流量為350L/s,出口斷面流速為4.5 ~7 m/s,F(xiàn)r=2.47~3.59,Re=1.7×106~2.4×106,Wb=330~490.模型側(cè)向折流器,模型中側(cè)收縮寬度由零漸變至2cm,側(cè)收縮坡度各取1∶4,1∶6,1∶8,折流器高度各取為H,1/2H,1/3H(H為孔口高度)。在側(cè)墻和底板上布置了時(shí)均壓力測(cè)孔、脈壓測(cè)孔、摻氣濃度感應(yīng)片。摻氣通氣孔風(fēng)速用熱球式風(fēng)速儀測(cè)量,摻氣濃度用中國(guó)水利水電科學(xué)院研制的848型摻氣濃度儀量測(cè)。

  為探討側(cè)向折流器不同高度和體型對(duì)側(cè)墻和底板各摻氣水力要素的影響,試驗(yàn)研究比較了6種方案。

  2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

  2.1 流態(tài) 由于側(cè)向突擴(kuò),水流從有壓段出口流出后向四周擴(kuò)散,由二維流動(dòng)變?yōu)檩^復(fù)雜的三維流動(dòng)。擴(kuò)散水流撞擊側(cè)墻后,向上擴(kuò)散的水流形成水翅,向下擴(kuò)散的水流形成水簾。水翅回落至正常水面后在其下游又會(huì)激起沖擊波,流態(tài)較復(fù)雜,水翅過高也會(huì)沖擊門鉸。向下擴(kuò)散的水簾增加底空腔的回溯水流,減小了底空腔長(zhǎng)度。

  側(cè)向突擴(kuò)水流對(duì)側(cè)墻的影響可大致分為4個(gè)區(qū)域,即空腔區(qū)、壓力驟變區(qū)、低壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū),Lb為底空腔長(zhǎng)度,Lr為有效底空腔長(zhǎng)度,Ls為側(cè)空腔長(zhǎng)度。

  試驗(yàn)中定義沿側(cè)墻的水股高出同一斷面射流中心線水面的垂直高度為水翅高度Hf,高出中心線水面部分的水平長(zhǎng)度為水翅長(zhǎng)度Lf.空腔區(qū)是自水流脫離孔口側(cè)壁起至水股在下游與側(cè)墻相交處的水平距離。

  水翅最高點(diǎn)位置,隨庫(kù)水位的升高向下推移。水翅最大高度與水翅長(zhǎng)度,隨庫(kù)水位升高而明顯加大,其與折流器的高度也有關(guān),但與折流器坡度沒有明顯的相互關(guān)系。

  值得注意的是,當(dāng)折流器高度較小時(shí),側(cè)空腔長(zhǎng)度變小,孔口出流與突擴(kuò)側(cè)墻的沖擊角變大,產(chǎn)生一股斜角向下的白色逆向水射流,直接沖擊弧形止水道。這種現(xiàn)象一般在折流器高度小于一半孔口高度時(shí)較多發(fā)生,白色逆向水射流的沖擊點(diǎn)高程與折流器高度有關(guān)。

  當(dāng)折流器高度超過一半孔口時(shí),側(cè)空腔加長(zhǎng),孔口出流與側(cè)墻沖擊角變小,逆向水射流減弱,此時(shí)由于沖擊點(diǎn)向下游推移,逆向水射流對(duì)弧形止水道邊構(gòu)不成威脅。

  2.2 側(cè)空腔長(zhǎng)度

  側(cè)空腔長(zhǎng)度是反映孔口出流自孔口側(cè)壁起至出流與下游側(cè)墻沖擊處的水平距離。由于孔口側(cè)壁在垂直方向上為圓弧形,出流的橫向擴(kuò)散沿水流方向逐漸加強(qiáng),因此出流與側(cè)墻的沖擊交點(diǎn)與孔口的距離并不相等。未加折流器時(shí),一般為頂部距離大,底部距離小,加折流器后,頂部距離小,底部距離大。取孔口中心高程處孔口側(cè)壁末端至出流與側(cè)墻的沖擊交點(diǎn)的水平距離為側(cè)空腔長(zhǎng)度,各方案的試驗(yàn)結(jié)果。

  可以看出,加設(shè)折流器可以加長(zhǎng)側(cè)空腔長(zhǎng)度,其與折流器高度有關(guān)。高度超過孔高一半以上的折流器對(duì)加長(zhǎng)側(cè)空腔長(zhǎng)度有明顯效果,相反,高度低于孔高一半的折流器,與無折流器相比,由于對(duì)孔口底部水流橫向擴(kuò)散約束影響,反而縮短了側(cè)空腔長(zhǎng)度。

  2.3 底空腔長(zhǎng)度

  2.3.1 底空腔長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果

  空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng),摻氣越充分,減蝕效果越好,因此?涨坏拈L(zhǎng)短是衡量各種方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)。

  孔口出流脫離跌坎后,水舌底緣沿程紊動(dòng)擴(kuò)散,摻氣量加大,水和空氣間形成一道過渡帶,沒有明顯的氣水界面,這給底空腔長(zhǎng)度的量測(cè)造成困難,對(duì)水舌底緣的判斷不同,測(cè)量結(jié)果差異較大。文獻(xiàn)[1,2]曾定義沿空腔中摻氣濃度為60%的等濃度線為空腔氣水界面,通過量測(cè)摻氣濃度分布來確定底空腔長(zhǎng)度,顯然這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,后來產(chǎn)生出通過量測(cè)底板時(shí)均壓力來確定底空腔長(zhǎng)度的方法,用P=0.4(Pmax-Pca)的位置來確定底空腔長(zhǎng)度,式中:Pmax為底板上的最大時(shí)均壓力,為Pca空腔中的最小壓力。也有人直接用底板時(shí)均壓力最大點(diǎn)的位置來確定底空腔長(zhǎng)度。

  根據(jù)本試驗(yàn)直接觀測(cè)到的底空腔長(zhǎng)度數(shù)據(jù)與上述兩種方法出入較大,而與下式表達(dá)的底板時(shí)均壓力吻合。

  P=0.75Pmax (1)

  大量試驗(yàn)表明,水舌沖擊底板后,產(chǎn)生一部分水流沿底板向上游回溯的現(xiàn)象,實(shí)際凈空腔的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于底空腔的長(zhǎng)度。因此采用底空腔長(zhǎng)度Lb來說明摻氣能力是不夠全面的,有效空腔長(zhǎng)度Lr縮短,摻氣量減小,減蝕效果也大為削弱。馮家山和烏江渡等工程的原型觀測(cè)資料[3]也表明,原型水舌下緣漩滾強(qiáng)度和回溯水流比模型更加嚴(yán)重。所以采用有效空腔長(zhǎng)度來作為設(shè)計(jì)摻氣設(shè)施的依據(jù)是安全的。

  有效空腔長(zhǎng)度的量測(cè),與用底板時(shí)均壓力大小來確定空腔長(zhǎng)度的方法進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),有效空腔長(zhǎng)度值較符合下式表述的底板時(shí)均壓力值。

  P=0.18Pmax (2)

  可以看出,空腔長(zhǎng)度和有效空腔長(zhǎng)度,在一定程度上受折流器的影響,折流器越高,空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng),有折流器的方案比沒有折流器的方案空腔長(zhǎng)度增加明顯。折流器寬度是從孔頂?shù)娇椎子闪銤u變至0.5m,有折流器的出流孔口實(shí)際上是頂部寬底部窄,折流器起到了把孔口射流向上抬高的作用。

  2.3.2 底空腔長(zhǎng)度的計(jì)算

  目前有各種計(jì)算空腔長(zhǎng)度的計(jì)算公式,但適用于突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施底空腔長(zhǎng)度計(jì)算的公式很少,能反映折流器對(duì)空腔長(zhǎng)度影響的計(jì)算公式更是罕見,本文擬在這方面作一探討。

  通常計(jì)算底空腔長(zhǎng)度以拋射體理論作為重要的理論依據(jù)。將坐標(biāo)原點(diǎn)放在跌坎末端,水平下游方向?yàn)閤軸正向,y軸垂直向下,則有

  式中:Lb為底空腔長(zhǎng)度;y0為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長(zhǎng)線交點(diǎn)底距離;α為下游明槽與水平面的夾角,向下為正;β為射流實(shí)際拋射角向下為正;u為坎上水流平均流速。

  用式(6)計(jì)算出的底空腔長(zhǎng)度Lb與實(shí)測(cè)的Lb有較大的出入,因此必須進(jìn)行修正。對(duì)于β的選擇各有不同,文獻(xiàn)[3]直接把有壓洞出口頂板壓坡角θ1當(dāng)作β;文獻(xiàn)[4]考慮θ1的同時(shí)引入最大橫向脈動(dòng)流速計(jì)算β,但未考慮跌坎挑角θ2的影響,計(jì)算誤差較大;文獻(xiàn)[5]考慮了挑角θ2但未考慮θ1的影響。在壓力洞出口與跌坎的水平距離較短的條件下,應(yīng)同時(shí)考慮θ1和θ2的影響。本文對(duì)β作如下的假設(shè):

  確切地說,底空腔的摻氣量是與有效空腔長(zhǎng)度有關(guān),絕大部分摻氣是在有效空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。因此有效空腔長(zhǎng)度的估算,對(duì)一個(gè)摻氣設(shè)施來說更有意義。

  假設(shè)沖擊速度等于坎頂平均流速,將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在挑坎末端,則由式(3),(4),(10)得射流與明槽底板的沖擊角為

  γ=arctan(tanβ+g′Lb/u2cos2β)-α。 (11)

  設(shè)底空腔末端坐標(biāo)為y1,漩滾回水面與水舌底緣相交點(diǎn)的坐標(biāo)為y2,則:

  yb=y1-y2. (12)

  yb一般與水舌厚度(可取為孔出口斷面高度h),水流速度u(取坎頂平均流速),水流密度ρ,重力加速度g,射流與底板沖擊角γ,空腔負(fù)壓Pca(米水柱)有關(guān)。應(yīng)用因次分析和試驗(yàn)結(jié)果得:

  在不同庫(kù)水位條件下,6個(gè)方案按式(15)計(jì)算結(jié)果,計(jì)算值和試驗(yàn)量測(cè)值對(duì)比。

  3 結(jié)語(yǔ)

  為保持穩(wěn)定的側(cè)空腔與底空腔。折流器的高度和坡度對(duì)空腔長(zhǎng)度均有影響,采用較高的折流器,能有效地增加底空腔和側(cè)空腔長(zhǎng)度。不僅如此,試驗(yàn)觀測(cè)也證明,加設(shè)折流器能使底空腔和側(cè)空腔連通,使側(cè)空腔成為底空腔有效的通氣通道,保證底空腔的充分摻氣。

  值得注意的是,當(dāng)折流器高度小于孔口高度一半時(shí),孔口出流與突擴(kuò)側(cè)墻的沖擊夾角變大,產(chǎn)生一般斜角向下的逆向水射流,直接沖擊弧形止水道,這是低折流器方案的弊端。

  由于回溯水流的影響,底空腔長(zhǎng)度變短,直接影響摻氣減蝕效果。正確區(qū)分和計(jì)算空腔長(zhǎng)度和有效空腔長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)一個(gè)摻氣方案的關(guān)鍵。本文根據(jù)底板最大時(shí)均壓力來判斷兩種空腔長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(1)、(2),可供參考。特別是考慮了頂壓坡角、跌坎挑角和折流器體型等綜合因素影響得出的計(jì)算空腔長(zhǎng)度式(10)、(15),有實(shí)際應(yīng)用和理論意義。

  參 考 文 獻(xiàn):

  [1] 潘水波。通氣挑坎射流的摻氣能力[J].水利學(xué)報(bào),1980,(5): 25-27.

  [2] 時(shí)啟燧。通氣減蝕挑坎水力學(xué)問題的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),1984, (3): 33-34.

  [3] 長(zhǎng)委設(shè)計(jì)院樞紐處。三峽工程泄洪深孔突擴(kuò)突跌式摻氣設(shè)施研究成果[R].武漢:長(zhǎng)江水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院,1996.

  [4] 水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)。長(zhǎng)江三峽水利樞紐表孔和深孔體型優(yōu)化專題報(bào)告[R].武漢:長(zhǎng)江水利委員會(huì), 1996: 22-23.

  [5] 于琪洋。挑坎型摻氣減蝕措施過流摻氣特性研究[D].北京: 清華大學(xué),1993.

  [6] Chanion H. Study of Air Entrainment and Aeration Devices[J].IAHR, HydrRes 1989, 27: 56-57.

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