齒墩數(shù)量對齒墩式內(nèi)消能工消能率影響試驗

張 澤，田 淳，張 婷（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

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齒墩數(shù)量對齒墩式內(nèi)消能工消能率影響試驗

張 澤，田 淳，張 婷
（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

摘要：針對洞塞式消能工對消能體型的過流能力有較大影響的缺點，為盡可能減小其影響，進行了齒墩式內(nèi)消能工物理模型試驗，設(shè)計了面積收縮比為0. 375條件下不同齒墩數(shù)量的3種方案來試驗分析齒墩式內(nèi)消能工過流能力、局部水頭損失系數(shù)、消能效果、脈動壓強特性及脈動流速特性。試驗結(jié)果表明：齒墩數(shù)量對齒墩式內(nèi)消能工的消能效果起著一定的作用，在試驗范圍內(nèi)，隨著齒墩數(shù)量的增加，過流能力增強，局部水頭損失系數(shù)減小，消能率降低；紊動強度在距齒墩段進口1. 5D （D為管道內(nèi)徑）處達到最大，7D后趨于平穩(wěn)；脈動壓強在距齒墩段進口1. 3D～1. 6D達到最大，然后急劇衰減，在距進口5. 6D處趨于平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：齒墩式內(nèi)消能工；過流能力；消能率；局部水頭損失系數(shù)；紊動強度

內(nèi)消能工是在泄水建筑物內(nèi)部，通過過流斷面的突變或其他工程措施，人為制造大紊動的旋滾，使水體部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能，達到消能目的的消能設(shè)施。內(nèi)消能工主要分為突擴突縮式消能工和旋流式消能工兩大類。突擴突縮式消能工分為孔板式消能工和洞塞式消能工兩種[1-9]。多級孔板式消能工已在黃河小浪底水利樞紐工程的泄洪洞中獲得應(yīng)用[10]；加拿大的Mica壩[11]在20世紀60—70年代已成功應(yīng)用了洞塞式消能工。洞塞式消能工主要問題是過流面積較小，制約了過流能力，從而限制了其應(yīng)用。張婷等[12-13]提出了齒墩式內(nèi)消能工并對齒墩式內(nèi)消能工的水力特性進行了初步研究，表明面積收縮比是影響過流能力的重要指標，但由于齒墩形狀的限制，并不能準確分析齒墩數(shù)量對過流能力的影響。本文在前期工作的基礎(chǔ)上，將齒墩底部的平面設(shè)計為曲面，分析在面積收縮比相同、齒墩數(shù)量不同的情況下，齒墩式內(nèi)消能工的過流能力、消能率、局部水頭損失系數(shù)、脈動壓強特性及脈動流速特性。

1 試驗裝置及方案

試驗裝置由水箱、管路、閥門等組成，水箱由供水系統(tǒng)供水，可保證水位不變；管路由鐵管和有機玻璃管構(gòu)成，試驗段采用有機玻璃管，可便于觀察管內(nèi)流態(tài)，管道內(nèi)徑D＝15 cm，試驗段有機玻璃管長為370 cm，試驗段后有足夠長的用法蘭連接的直鐵管段，尾部為有壓出流，如圖1所示。

設(shè)計了相同面積收縮比的3種不同齒墩數(shù)量（齒墩數(shù)量n＝3、4、5）的消能方案，其中齒墩段長度β＝13. 5 cm，面積收縮比ε＝A1/ A0＝0. 375（A0為管道的面積，A1為齒墩段的過流面積），各試驗方案具體尺寸如圖2所示（各方案坐標系相同）。試驗流量范圍為8. 16～43. 82 L/ s。

試驗測量的參數(shù)有流量、流速和壓強。流量由精度為0. 5級的智能電磁流量計測量，流量可由閥門控制，最大量程為600 m3/ h。流速由多普勒測速儀DOP3010傳感器測量，試驗采樣頻率為1 MHz。流速數(shù)據(jù)由計算機自動控制采集、記錄。在試驗管段頂部共布設(shè)9個流速測點，以齒墩段進口處為坐標軸原點，測點位置用相對于管徑的倍數(shù)表示，具體測點分布如圖3所示。

壓強由精度為0. 1%的智能數(shù)字壓力傳感器測量，試驗采樣時間為30 s、頻率為100 Hz。壓力數(shù)據(jù)由計算機自動控制采集、記錄。在齒墩段布設(shè)2個測量斷面，齒墩段前6個測量斷面，齒墩段后10個測量斷面，共30個測壓點，具體測點布置如圖4所示。

2 試驗結(jié)果分析

2. 1 過流能力

雷諾數(shù)Re是表征慣性力與黏滯力的比值，可以用來判別液流形態(tài)。雷諾數(shù)Re＝vD/ν，其中v＝Q/ A為斷面平均流速，管道內(nèi)徑D＝15 cm，試驗在10℃水溫中進行，運動黏度ν＝0. 013 10 cm2/ s。各試驗方案的流量系數(shù)μc與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線見圖5。

從圖5可以看出，在面積收縮比ε＝0. 375的情況下，雷諾數(shù)對各個方案的過流能力幾乎無影響，方案A、B、C的流量系數(shù)依次增大，其過流能力依次增強，說明齒墩數(shù)量對過流能力有一定的影響，在面積收縮比相同的工況下，齒墩數(shù)量越多，過流能力越強。

圖1 試驗裝置示意圖（單位：cm）

圖2 3種試驗方案尺寸示意圖（單位：cm）

圖3 流速測點布置

圖4 壓強測點布置

圖5 各試驗方案流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

2. 2 消能特性

設(shè)4號、8號、14號測點壓強分別為p1、p2、p3，速度為v1、v2、v3（由理論公式v＝Q/ A求得），其中v1＝v3。水頭損失系數(shù)ζ可表示為式中ΔH為前后斷面的總水頭差。

局部水頭損失系數(shù)是直接影響內(nèi)消能工消能效果的重要指標，可將其分為突縮水頭損失系數(shù)和突擴水頭損失系數(shù)兩類。試驗得到的各試驗方案的水頭損失系數(shù)見表1。

表1 各試驗方案的水頭損失系數(shù)

從表1可以看出，隨著齒墩數(shù)量的增加局部水頭損失系數(shù)、突縮水頭損失系數(shù)逐漸變小，突擴水頭損失系數(shù)逐漸變大，其中方案A的局部水頭損失系數(shù)最大，消能效果最好。

消能率η是評價消能工消能效果好壞的最主要指標。消能率計算公式為

式中：hw為4號與14號兩斷面之間水頭損失；H為1號斷面總水頭。選取4號與14號兩斷面來計算3種方案在不同流量下的消能率。用K表示管道中速度水頭與總水頭的比值，即K＝v2/2g，則水頭損失H系數(shù)ζ＝η/ K，即η＝Kζ。試驗得到的消能率隨K的變化見圖6。

由圖6知，在K相同的情況下方案A消能率最大，方案B次之，方案C最小。3種試驗方案消能率最高可達69%。齒墩式內(nèi)消能工主要通過突擴突縮作用，在水體制造強剪切、強紊動來進行消能。隨著齒墩數(shù)量的增加，齒墩對水體的收縮作用減弱，突縮水頭損失降低，但齒墩分散了水流，加強了墩后水體的剪切、紊動，使突擴水頭損失增加。從消能的角度看，兩者有部分抵消作用。在試驗觀察范圍內(nèi)，面積收縮比相同的情況下，齒墩數(shù)量增加，消能率有所減小。

圖6 各試驗方案消能率隨K的變化

2. 3 脈動壓強特性

采用脈動壓強系數(shù)Cp來反映脈動壓強特性，脈動壓強系數(shù)是脈動壓強與速度水頭的比值，即

其中式中：σ為脈動壓強的均方根，反映壓強脈動的劇烈程度；N為采樣次數(shù)；-p為時均壓強；pi為瞬時壓強。以x/ D為橫坐標，當Q＝27. 00 L/ s時，3種試驗方案的脈動壓強系數(shù)沿程分布見圖7。

圖7 脈動壓強系數(shù)沿程分布

3種試驗方案的脈動強度系數(shù)沿程分布在齒墩段前都比較平穩(wěn)，最大值出現(xiàn)在距離齒墩進口1.3D～1. 6D處，隨后迅速衰減，在距離洞塞進口5. 6D的距離又趨于平穩(wěn)。其中方案C的脈動壓強最小，3種方案脈動壓強分別為0. 7、0. 78及0. 49倍的流速水頭。

2. 4 脈動流速特性

采用紊動強度Tu來反映脈動流速特性，紊動強度為其中

u′＝ui- -u式中：v為時均特征流速；σ0為脈動流速的均方根；u′為脈動流速；ui為瞬時流速，-u為時均流速。以x/ D為橫坐標，在流量Q＝27. 00 L/ s下，各試驗方案y軸方向距管道底部0. 2D處紊動強度沿程分布見圖8。

圖8 3種試驗方案紊動強度沿程分布

從圖8可看出，3種試驗方案紊動強度從齒墩進口處開始增強，均在1. 5D處達到最大值，隨后開始減小，各方案均在7D以后恢復(fù)平穩(wěn)，其中方案A紊動強度最大。隨著齒墩數(shù)量的增加，紊動強度逐漸減小。

3 結(jié) 論

a.齒墩式內(nèi)消能工的過流能力幾乎不受雷諾數(shù)的影響，與齒墩數(shù)量有關(guān)，齒墩數(shù)量越多，過流能力越強。

b.在面積收縮比一定的情況下，隨著齒墩數(shù)量的增加，總局部水頭損失有所減小，其中突縮水頭損失隨著齒墩數(shù)量增加而減小，但突擴水頭損失增加，消能率相應(yīng)降低。在試驗測量范圍內(nèi)，方案A消能效果最好，其消能率最高可達69%。

c.紊動強度、脈動壓強沿程分布規(guī)律大體相同，都在齒墩段前比較平穩(wěn)，從齒墩段進口開始增加，達到各自峰值后迅速減小，在距進口一定距離逐漸趨于平穩(wěn)。3種試驗方案的紊動強度在1. 5D處達到最大值，在距進口7D后逐漸趨于平穩(wěn)；各試驗方案的脈動壓強在距離齒墩進口1. 3D～1. 6D處達到最大值，在距離洞塞進口5. 6D后趨于平穩(wěn)。其中紊動強度隨著齒墩數(shù)量的增加有明顯的降低，方案A紊動強度最大；脈動壓強最大的是方案B。

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Experimental study on influence of number of tooth blocks on energy dissipation efficiency of tooth block energy dissipater/ /

ZHANG Ze，TIAN Chun，ZHANG Ting（College of Water Resources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to reduce the influence of a plug energy dissipater on the conveyance capability，a tooth block energy dissipater was investigated through physical modeling experiments. Through the testing of three schemes with different numbers of tooth blocks and the same area contraction ratio of 0. 375，the conveyance capacity，local head loss coefficient，energy dissipation effect，turbulence intensity，and characteristics of fluctuating pressure were analyzed. The results show that the number of tooth blocks has a certain effect on the energy dissipation effect，and，in the experimental range，with the increase of the number of tooth blocks，the conveyance capacity increases，the local head loss coefficient decreases，and the energy dissipation efficiency declines. The maximum turbulence intensity occurs 1. 5 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block，and then become stable further than 7 times the tunnel diameter away. The maximum fluctuating pressure occurs 1. 3 to 1. 6 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block，then sharply decreases，and finally become stable 5. 6 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block.

Key words：tooth block energy dissipater；conveyance capacity；energy dissipation efficiency；local head loss coefficient；turbulence intensity

收稿日期：（2014 10 21 編輯：熊水斌）

通信作者；田淳（1963—），男，副教授，碩士，主要從事水力學(xué)與河流動力學(xué)研究。E-mail：tianchun_ty@163. com

作者簡介：張澤（1990—），男，碩士研究生，主要從事水力學(xué)與河流動力學(xué)研究。E-mail：15110363727@163. com

基金項目：山西省自然科學(xué)基金（2013011037-4）

中圖分類號：TV653

文獻標志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0040 04