射流出口末端折流板壓力特性試驗研究

喬 丹，李龍國，李乃穩(wěn)，b，劉 超

（四川大學(xué)a.水利水電學(xué)院；b.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

射流出口末端折流板壓力特性試驗研究

喬 丹a，李龍國a，李乃穩(wěn)a，b，劉 超a

（四川大學(xué)a.水利水電學(xué)院；b.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065）

高壩工程壩身孔口射流多呈橫向擴散下泄，但狹窄河谷中的高壩工程因泄流寬度不足而受到限制。在壩身孔口出流末端設(shè)置橫向收縮折流板，可獲得豎向及縱向擴散良好的窄長水舌流態(tài)，從而充分利用河道縱向空間泄洪消能。但折流板兩側(cè)因射流沖擊而壓力劇增，這對折流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計不利。通過模型試驗的方法，對收縮射流折流板不同體型參數(shù)（收縮比β、相對收縮段長度δ以及出口傾角γ）和深孔進口水頭變化對其所受沖擊壓力的影響進行了研究。結(jié)果表明：射流沖擊使得折流板上所受壓力劇增，且壓力最大值出現(xiàn)在始折點（突擴側(cè)墻與折流板相接處，即折流板的始端）上，折流板面上無負壓出現(xiàn)；折流板最大沖擊壓力隨收縮比的增大而減小，隨相對收縮段長度的增加而減小，隨出口傾角的增大而增大，隨深孔進口的水頭增加而增大。

高壩工程；高速射流；泄洪消能；折流板；壓力特性

2015，32（01）：70－74

1 研究背景

高山峽谷中的高壩工程具有高水頭、窄河谷及大流量的特點［1］，壩身下泄高速水流對下游的沖擊和沖刷以及泄洪霧化問題尤為突出。目前，我國高壩工程壩身泄洪多采用“表、深孔水舌空中碰撞＋下游水墊塘”的消能方式［2］。表孔水流與深孔水流在單獨泄洪時橫向擴散，縱向分層分區(qū)入水；但當(dāng)表、深孔聯(lián)合泄洪時，表、深孔水流先在空中相互碰撞，然后再落入下游水墊塘，此種消能方式可取得較好的消能效果。二灘工程的實踐［3］也充分表明水流空中碰撞能達到很好的消能效果。但水流空中碰撞會造成更為嚴(yán)重的泄洪霧化問題，使得泄洪霧化引起的降雨強度大大增加，對水利樞紐的正常運行及下游岸坡的穩(wěn)定均可能造成嚴(yán)重危害。

高壩表、深孔水流空中碰撞消能所產(chǎn)生的泄洪霧化問題可通過實現(xiàn)表深孔水流無碰撞消能來解決。實現(xiàn)表、深孔水流無碰撞消能有2種方式：一種是表、深孔仍采用常規(guī)出口體型，在平面布置上各孔橫向盡量相互拉開，但受到工程所處河谷狹窄的限制而很難實現(xiàn)；另一種方式則是表、深孔采用收縮式消能工，如寬尾墩、窄縫挑坎［4－6］，利用收縮式消能工收縮水流的特性獲得窄長的下泄水舌流態(tài)，使各股水流從相互間隙穿插下落，從而實現(xiàn)表、深孔水流無碰撞消能。李乃穩(wěn)、許唯臨等［7］在錦屏一級水力學(xué)模型上將寬尾墩、窄縫挑坎收縮式消能工分別應(yīng)用于拱壩壩身表孔和深孔，通過一系列不同的表、深孔體型組合試驗研究，獲得了良好的縱向擴散的窄長水流，實現(xiàn)了高拱壩表、深孔水流空中無碰撞消能的目的，并且泄洪霧化的強度相對于表、深孔碰撞消能而言大大降低［8］。

除了寬尾墩、窄縫挑坎收縮式消能工可橫向收縮射流而獲得縱向拉長的窄長水流外，在射流出射過程中兩側(cè)設(shè)置橫向折流板，利用水的流態(tài)可控制性，也可獲得縱向拉長的窄長水流。但折流板應(yīng)用于射流出口末端后，其射流流態(tài)如何，折流板面因水流橫向折轉(zhuǎn)而所受的沖擊動壓特性如何，壓力變化與哪些體型參數(shù)有關(guān)，這些都是需要研究的問題。本文結(jié)合水力學(xué)模型試驗對上述問題進行了研究。

2 模型布置及試驗工況

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

本試驗在某水電站整體水工模型3＃深孔上進行，模型比尺為100。深孔進口高度9.2 cm，出口采用壓坡段，高度變?yōu)? cm，孔寬5 cm。深孔弧形工作閘門位于其出口末端，為避免出射水流沖擊弧形閘門邊墩，方便弧形閘門安裝與安全運行，將出口兩側(cè)各突擴0.5 cm，即兩側(cè)壁間寬6 cm，如圖1（b）所示。同時，深孔高速水流自由出射后，經(jīng)側(cè)墻突擴可利于水流摻氣，減免空蝕破壞。將深孔底部采用45°大坡度底板與兩側(cè)壁作為支撐結(jié)構(gòu)，水舌在出射過程中不接觸底板。深孔進水孔底距模型頂94.5 cm。試驗?zāi)Ｐ偷牟贾靡妶D1（a），圖1（b）是深孔的平面與剖面示意圖。

圖1 模型布置圖Fig.1 Layout ofmodel

2.2 收縮折流板體型參數(shù)及試驗工況

2.2.1 折流板體型參數(shù)

深孔出口末端增設(shè)橫向折轉(zhuǎn)的折流板后，其板面受高速射流的沖擊，勢必會造成極大的沖擊壓力。因此，在獲得合適縱向拉長的窄長水流的情況下，應(yīng)合理選擇折流板的設(shè)計參數(shù)，以盡可能減小板面受到的沖擊壓力。表征折流板體型的主要參數(shù)有：收縮比β、相對收縮段長度δ、折流板出口傾角γ。

收縮比β＝b/B，如圖1（b）所示：b是收縮折流板的出口橫向?qū)挾龋瑔挝粸閏m；B是收縮折流板的進口寬度，B＝6 cm。

相對收縮段長度δ＝L/B，L是收縮折流板的長度，單位為cm（圖1（b））。

傾角γ為折流板出口外緣線與水平線的夾角，如圖1所示。

2.2.2 試驗工況

試驗中，針對折流板的體型參數(shù)，即收縮比β、相對收縮段長度δ以及出口傾角γ進行了研究。β＝0.75，0.8，0.85，0.9，0.95；δ＝0.5，0.67，0.75，1.0；γ＝30°，45°，60°，90°。同時，折流板所受沖擊壓力還與深孔出射流速v密切相關(guān)，而深孔射流流速v與深孔進口水頭H有關(guān)。試驗中設(shè)定了不同的深孔進口水頭，H＝76，83，91，93 cm。

3 折流收縮段水流流態(tài)分析

深孔水流出射后，成為有壓孔口射流。如圖2（a）所示，在隨后的橫向突擴流道內(nèi)，首先因兩側(cè)墻橫向突擴而形成自由射流，其除了向前高速運動外，還存在周圍空氣剪切作用下的橫向自然擴散。后擴散至兩側(cè)壁，形成附壁射流。在射流與突擴邊壁間形成側(cè)空腔。射流進入橫向收縮折流段后，由于折流板的橫向急劇收縮而產(chǎn)生急流沖擊波，在射流的上方存在2條特征水面線，即中線水面線和邊墻水面線（圖2（b））。急流沖擊波交匯點前邊墻水深大于中線水深，水面呈“∪”形。對于深孔末端設(shè)置的折流板，一般δ值較小，沖擊波交匯點在折流板之外，故整個折流板段內(nèi)，射流上水面呈“∪”形。在交匯點之后，水舌主體以上形成水冠。

圖2 折流收縮段內(nèi)水面線形態(tài)Fig.2 W ater surface patterns in baffle contraction segm ent

折流板下方設(shè)置了大坡度底板，其對射流無影響，僅對兩側(cè)折流板起結(jié)構(gòu)支撐作用。同樣受折流板橫向急轉(zhuǎn)影響，射流下方存在2條特征水面線。如圖2（b），一條為受折流板橫向收縮擠壓作用而產(chǎn)生的沿邊墻運動的邊墻水面線；一條為原射流的中線水面線。在兩側(cè)墻水流交匯之前，兩側(cè)墻水面線低于中線水面線，水面呈“∩”形。同樣，由于射流出口附近水流橫向運動速度遠大于水流因重力影響而產(chǎn)生的向下運動速度，兩側(cè)墻水深在向下運動中交匯，產(chǎn)生類似急流沖擊波的現(xiàn)象。中線水面低于兩側(cè)水面，形成水翅而落入下游。由于兩橫向收縮折流板的擠壓，射流在豎向擴散，縱向拉長，呈窄長水流狀態(tài)流入下游（見圖1（a））。

深孔射流在側(cè)墻突擴處脫壁，左右各形成一個近似三角形的側(cè)空腔。同時，射流主體不受大坡度支撐底板約束，在射流與底板間形成底空腔。兩側(cè)空腔與底空腔貫通形成空氣通道，射流在高速運動中因強烈紊動而摻氣，這對防止折流板面附壁射流區(qū)的空蝕破壞是極為有利的。

4 收縮折流板壓力分布特性

4.1 折流板面壓力分布

折流板應(yīng)用于射流出口末端可獲得縱向拉長的窄長水舌流態(tài)，但在折流板面上的射流附壁區(qū)壓力分布狀況，如是否存在負壓而造成板面的空蝕破壞，側(cè)墻折轉(zhuǎn)處因水流沖擊而壓力過大，造成結(jié)構(gòu)破壞，這些是其應(yīng)用中應(yīng)重點關(guān)注的問題。

試驗中，在一側(cè)折流板面上射流沖擊區(qū)布置了32個測壓點，測量了折流板面上過流時的壓力分布，見圖3（a），圖3（b）為紊流數(shù)值模擬計算的折流板面壓力分布［5］。

圖3 β＝0.67，δ＝0.67，γ＝45°，H＝88 cm折流板面壓力分布Fig.3 Pressure distribution on the baffle p late when β＝0.67，δ＝0.67，γ＝45°，and H＝88 cm

在高速射流出口末端設(shè)置折流板時，先橫向突擴，再橫向折轉(zhuǎn)收縮射流從而獲得窄長水流。因射流與空氣貫通而沒有在射流附壁區(qū)出現(xiàn)負壓，避免了折流板面的高速水流空化空蝕破壞。但受射流沖擊的影響，折流板沖擊區(qū)壓力劇增對其工程結(jié)構(gòu)設(shè)計是極為不利的。顯然，折流板射流沖擊區(qū)的Pmax是折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要依據(jù)，應(yīng)尤為關(guān)注。

試驗發(fā)現(xiàn)，折流板面壓力分布形狀及Pmax值的大小與折流板設(shè)計參數(shù)，如收縮比β、相對收縮段長度δ、折流板出口傾角γ及射流出口末端流速v有關(guān)。在工程應(yīng)用時，應(yīng)合理選擇上述折流板設(shè)計參數(shù)，在獲得合適縱向拉長窄長水流的同時，盡可能使Pmax最小，從而減小折流板結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。

4.2 折流板沖擊區(qū)壓力最大值變化規(guī)律

表征橫向收縮折流板的體型設(shè)計參數(shù)有進出口收縮比β，相對收縮段長度δ及出口傾角γ。同時，深孔進口上游水位H也將會影響射流出口末端流速v，進而影響折流板沖擊區(qū)壓力最大值Pmax。本文對上述參數(shù)變化對折流板射流沖擊區(qū)壓力最大值的影響規(guī)律進行了研究。

試驗中，固定收縮比β、相對收縮段長度δ、折流板出口傾角γ及深孔進口底板以上水頭H這4個影響參數(shù)中的3個，實測Pmax值，其隨β，δ，γ及H的變化規(guī)律見圖4。

圖4 Pmax隨β，δ，H，γ的變化Fig.4 Variation of Pmaxw ithβ，δ，H，γrespectively

由圖4可知，隨著折流板體型設(shè)計參數(shù)及深孔上游水頭H的變化，折流板面上最大沖擊壓力Pmax呈現(xiàn)較有規(guī)律的變化，即Pmax隨著折流板段進出口收縮比β的增大而減小，隨著相對收縮段長度δ的增加而減小，隨著折流板出口傾角γ的增大而增大，隨著深孔進口底板以上水頭H的增加而增大。

圖5為折流板段水力計算分析示意圖，射流流速為v，折流板前段寬為B，出口寬為b，折轉(zhuǎn)處至出口的距離為L，則由前面的表述可知，折流板收縮比β＝b/B，折流板相對收縮段長度為δ＝L/B。

為方便對射流在折流板內(nèi)進行水力分析，將折流板按照出口傾角γ＝90°（圖5（a））和γ≠90°（圖5（b））進行分析。

半個上午過去，恐懼感慢慢消逝，我甚至感到很刺激，很好玩。中間幾乎沒有休息，小解時，他們背對著巷子里的行人，朝著新樓 尿。我是學(xué)生，講文明，不好意思站在腳手架上撒野，我撤下來。巷子里有人來往，我抹不開這個臉，向我們的住所飛奔。腳手架上傳來唏噓聲，他們一定在說我“懶驢上磨屎尿多”。我把他們的聲音扔在身后。

進入折流板段的射流流速為v，有

圖5 折流板水力分析示意圖Fig.5 Hydraulic analysis of baffle p late

式中：φ為深孔出流的流速系數(shù)，其值與深孔進口形式、深孔過流段長度等有關(guān)；g為重力加速度；H為深孔進口底板以上的水頭。

首先考慮γ＝90°的情況，如圖5（a）所示，將射流流速沿折流板矢量分解成與折流板平行的流速v1和與折流板垂直的流速v2，則有：

式中θ為折流板收縮角，根據(jù)圖5幾何關(guān)系，有

根據(jù)動量定理，折流板上沖擊壓力P應(yīng)等于折流板單位面積上的水流的動量變化，即

式中：ρ為水的密度；q為折流板單位面積的流量；α為動量修正系數(shù)；v′2為水流沖擊折流板后垂直于板面的速度，可以約等于0。

壓力P的方向垂直于折流板，因v1平行于折流板，故不對折流板產(chǎn)生壓力。

當(dāng)折流板出口傾角γ≠90°時，如圖5（b）所示，射流流速v′與折流板出口間不再垂直，而是存在一個夾角γ。將流速v′分解成與折流板出口斷面平行的流速v3和與折流板出口斷面垂直的流速v4，則有：

經(jīng)過對射流流速v′進行如此的矢量分析后，v4與折流板出口斷面垂直，此時，v4與圖5（a）中所示水力分析一致，即為圖5（a）中射流流速v，將v4代入式（4）得

對于折流板體型參數(shù)，即收縮比β＝b/B、相對收縮段長度δ＝L/B以及折流板出口傾角γ，收縮比β和相對收縮段長度δ的變化影響了折流板橫向收縮角θ的變化，即β增大，θ減??；δ增大，θ減小。則由式（7）可知，在其他條件一定的情況下，折流板面最大壓力Pmax隨β增大而減??；隨δ增大而減小。

同時，由式（7）可知，在其他條件一定的情況下，折流板出口傾角γ增大，則最大壓力Pmax增大。

當(dāng)折流板各體型參數(shù)一定時，深孔進口底板以上水頭H增加，則射流流速v′增加，由式（7）可知，折流板面最大壓力Pmax增大。

5 結(jié) 論

通過將橫向收縮折流板應(yīng)用于高速射流出口末端的一系列試驗研究，分析研究成果得出以下結(jié)論：

（1）折流板橫向收縮可獲得豎向及縱向擴散良好的窄長水舌流態(tài)。合適控制折流板體型參數(shù)，如收縮比β＝b/B、相對收縮段長度δ＝L/B，以及折流板出口傾角γ，可控制射流水舌流態(tài)。

（2）折流板段先突擴后橫向折轉(zhuǎn)收縮，底板采用大坡度底板，僅對折流板起結(jié)構(gòu)支撐作用而對射流無約束。因突擴造成的左右側(cè)空腔與底空腔貫通并與空氣連通，使射流摻氣，射流附壁區(qū)無負壓產(chǎn)生，這對防止折流板空蝕破壞有利。

（3）受射流沖擊，在折流板面上壓力分布存在峰值區(qū)，且折流板面最大沖擊壓力Pmax隨著折流板收縮比β的增大而減小，隨著相對收縮段長度δ的增大而減小，隨著折流板出口傾角γ的增大而增大，隨著深孔進口底板以上水頭H的增加而增大。

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（編輯：劉運飛）

Characteristics of Pressure on Baffle Plate at the End of Jet Outlet

QIAO Dan1，LILong-guo1，LINai-wen1，2，LIU Chao1
（1.School of Hydraulic＆Hydroelectric Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

Flow from the orifice of high dam usually fallwith full diffusion in horizontal direction，but in narrow valley it is limited by thewidth of river.By setting transverse shrinkage baffle plates at the end of the dam orifice，the flow jet becomes narrow and long spreadingwell in vertical and longitudinal directions，which gives full play to the longitudinal space of river for flood discharge and energy dissipation.However in this case，the pressure on the baffle plate surged due to jet impact，which is detrimental to the structure design of the baffle plate.In this paper，the impact pressure on the baffle platewas researched by changing the shape parameters of baffle plate（contraction ratioβ，relative contract lengthδand outletangleγ）aswell aswater head at the entrance of orifice.Research results revealed that themaximum pressure on the baffle plate was at the beginning point（which is at the joint between suddenly-enlarged side-wall and baffle plate），while no negative pressure was found on the baffle plate which is beneficial to alleviating cavitation of the plate.Themaximum impact pressure reduced with the increase of contraction ratio and relative contract length，while increased with the increase of outlet angle and water head at the entrance of orifice.

high dam project；high-velocity jet flow；flood discharge and energy dissipation；baffle plate；pressure characteristic

TV135.2

A

1001－5485（2015）01－0070－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.014

2013－11－25；

2013－12－27

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（50909067，51009102，51179113）；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃（2011SCU－NCET－10－0589）

喬 丹（1989－），女，陜西寶雞人，碩士研究生，主要從事水工建筑物安全評價及病害整治方面的研究，（電話）13558873826（電子信箱）qiaodan1024＠126.com。

劉 超（1975－），男，四川南充人，副教授，博士，主要從事水工建筑物方面的研究，（電話）13808095407（電子信箱）liuchaogood＠21cn.com。