跌坎型底流消能工的跌坎最小深度研究

崔召等

摘要：跌坎型底流消能工消力池內(nèi)的水力特性受到跌坎深度的影響。應(yīng)用平面紊動射流理論，以消力池內(nèi)允許的最大時均動水壓強為控制目標(biāo)，對于跌坎最小深度的確定方法進行了初步分析，建立了計算跌坎最小深度值的理論公式。通過水力學(xué)試驗方法，得到消力池底板時均動水壓強與跌坎最小深度之間的關(guān)系，同時與跌坎最小深度試驗值進行了比對，對本文建立的理論公式進行了驗證。

關(guān)鍵詞：底流消能工；跌坎深度；紊動射流理論；時均動水壓強；臨底流速

中圖分類號：TV653 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2015）03-0510-04

Abstract：The hydraulic characteristics of the falling-sill bottom-flow energy dissipation pool are affected by the falling-sill depth.In order to control the allowable maximum time-averaged dynamic water pressure in the dissipation pool，a method and its theoretic formula for determining the minimum falling-sill depth are preliminarily analyzed and derived using the plane turbulent jet theory.Based on the hydraulic model experiments，the relationship between the time-averaged dynamic water pressure on the bottom plate and the minimum falling-sill depth is obtained.The calculated falling-sill depth is compared with the measured value to verify the applicability of theoretic formula.

Key words：bottom-flow dissipation；falling-sill depth；turbulent jet theory；time-averaged dynamic water pressure；underflow speed

跌坎型底流消能工[1]是一種應(yīng)用前景廣闊的新型消能工，由于跌坎[2]的存在，入池水流形成淹沒底流流態(tài)，通過與消力池內(nèi)消能水體的強剪切紊動進行消能[3]，能夠有效解決傳統(tǒng)底流消能工自身具有的消力池臨底流速和脈動壓強大的問題[4]。

跌坎的存在對于消力池內(nèi)的水力學(xué)指標(biāo)具有重要影響，消力池消能效率的程度主要取決于跌坎深度[5]。隨著跌坎深度的增加，入池主流到達(dá)消力池底板的射程增加，射流[6]與消能水體剪切面積也隨之增大，使得動能通過強烈的紊動作用得以耗散，因此消力池底板沖擊區(qū)底板時均動水壓強隨著跌坎深度的增加而減小[7]。本文以消力池沖擊區(qū)最大時均動水壓強為控制目標(biāo)，對消力池的跌坎最小深度值進行試驗研究，旨在探討沖擊區(qū)底板時均動水壓強與跌坎最小深度之間的關(guān)系。

1 跌坎型底流消能工淹沒底流流態(tài)

跌坎型底流消能工入池水流在消力池中產(chǎn)生淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)，這一混合流態(tài)在水力學(xué)上稱之為淹沒底流流態(tài)。入池水流與消能水體產(chǎn)生強烈的剪切作用，在主流下方形成了順時針方向的底部漩渦。入池主流迅速潛底，沖擊區(qū)后形成淹沒水躍，產(chǎn)生強烈的逆時針方向上部漩渦。以入射主流方向為參照，可將消力池內(nèi)流態(tài)分為：淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)、附壁射流區(qū)，見圖1[8]。

淹沒射流主流到達(dá)消力池底板并與底板相互作用的區(qū)域稱為沖擊區(qū)。在沖擊區(qū)，淹沒射流主流沖擊消力池底板，由于受到底板的約束，主流方向被迫偏轉(zhuǎn)，流線彎曲，淹沒射流主流流速迅速降低，主流的動能一部分轉(zhuǎn)化為消力池底板上的壓能[9]，導(dǎo)致在沖擊區(qū)消力池底板產(chǎn)生沖擊壓力[10]。沖擊區(qū)是消力池內(nèi)主要的消能區(qū)域，所受到的時均動水壓強突增[11]，因此也是氣蝕破壞與沖刷破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域。

本文選取跌坎型底流消能工消力池沖擊區(qū)底板所受到的最大時均動水壓強為控制目標(biāo)，著重分析了其與消力池跌坎最小深度之間的關(guān)系。

2 數(shù)值計算方法

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

為了觀測消力池內(nèi)的水流流態(tài)，分析消力池底板沖擊區(qū)最大時均動水壓強與跌坎深度和入池角度之間的關(guān)系，特進行水工模型試驗。

水工試驗?zāi)Ｐ腿坎捎糜袡C玻璃制作而成，消力池底板上共布置時均動水壓強測壓點48個。消力池的尺寸為1.2 m×0.2 m（長×寬）；消力池的跌坎深度分別取0.06 m、0.08 m、0.10 m；水流入池角度分別取15°、30°、45°；消力池的入池流量分別取6.135×10-3 m3/s、8.027×10-3 m3/s、10.320×10-3 m3/s。

3.2 試驗結(jié)果

跌坎型底流消能工消力池內(nèi)最大的時均動水壓強出現(xiàn)在沖擊區(qū)，時均動水壓強最大的點稱為沖擊滯點，時均動水壓強分布規(guī)律為：由沖擊滯點向上下游兩側(cè)迅速下降，且壓力梯度很大[16]。因此，以沖擊區(qū)最大時均動水壓強作為控制目標(biāo)推求跌坎最小深度值具有可行性。

本文采用水力學(xué)試驗方法，通過改變?nèi)氤啬芰?、跌坎深度以及入池角度之間的關(guān)系，研究消力池沖擊區(qū)底板所受到的最大時均動水壓強與跌坎深度之間的關(guān)系，同時驗證跌坎最小深度值理論計算公式的合理性。理論計算的跌坎最小深度值與實際跌坎深度值的對比見表1和圖3。endprint

由圖3可知，在入池能量不變的工況下，最大時均動水壓強隨著入池角度的增大而增大。這是由于入池角度增大，紊動射流流線長度減小，沖擊區(qū)長度隨之減小，臨底流速增大，使得底板時均動水壓強增大。同時可看出，由最大時均動水壓強作為控制目標(biāo)求得的跌坎最小深度值與試驗實測值具有良好的吻合性。

由圖4可知，跌坎深度與入池能量之間沒有關(guān)系，而只與入池角度有關(guān)，其結(jié)果與理論計算公式相一致。同時可看出，跌坎深度的理論計算值與試驗實測值之間具有良好的吻合性。

綜上所述，跌坎最小深度的理論計算值與試驗實測值基本吻合。因此由最大時均動水壓強作為控制目標(biāo)推求出的跌坎最小深度值的理論計算公式具有一定的合理性與可行性。

4 結(jié)語

本文基于紊動射流理論，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出以沖擊區(qū)最大時均動水壓強為控制目標(biāo)，計算跌坎最小深度值的理論公式。試驗驗證結(jié)果表明該理論公式的計算值與實測值之間具有良好的吻合性，表明該理論計算公式具有一定的合理性，可為今后的實際工程提供參考。

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