摻氣折流器對(duì)側(cè)空腔和底空腔長(zhǎng)度的影響

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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?；厮菟魇沟卓涨蛔兌?，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(lái)說(shuō)，除了要解決高速水流引起的空腔破壞外，閘門(mén)止水的安全和優(yōu)化問(wèn)題也日漸突出。利用突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施一方面可以滿(mǎn)足摻氣減蝕的要求，另一方面適合于偏心鉸弧門(mén)采用同曲面液壓密封框止水，可保證閘門(mén)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(guò)試驗(yàn)來(lái)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，W_b=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(guò)高也會(huì)沖擊門(mén)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(xiàn)水面的垂直高度為水翅高度Hf，高出中心線(xiàn)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(méi)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)渡帶，沒(méi)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(xiàn)為空腔氣水界面，通過(guò)量測(cè)摻氣濃度分布來(lái)確定底空腔長(zhǎng)度，顯然這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后來(lái)產(chǎn)生出通過(guò)量測(cè)底板時(shí)均壓力來(lái)確定底空腔長(zhǎng)度的方法，用P=0.4（Pmax-Pca）的位置來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)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(lái)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(méi)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(jiàn)，本文擬在這方面作一探討。

　　通常計(jì)算底空腔長(zhǎng)度以?huà)伾潴w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：L_b為底空腔長(zhǎng)度；y₀為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長(zhǎng)線(xiàn)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L_b與實(shí)測(cè)的L_b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(shuō)，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(lái)說(shuō)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′L_b/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：

　　y_b=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(lái)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(wèn)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(zhuān)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(guò)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.