弧形閘門前漩渦特性研究

孫洪亮，劉亞坤，張鴻煜，劉潔潔

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116023)

弧形閘門前漩渦特性研究

孫洪亮，劉亞坤，張鴻煜，劉潔潔

(大連理工大學(xué)，遼寧大連 116023)

吸氣漩渦是水利工程中進(jìn)水口前常見的水力學(xué)問題，模型試驗是研究進(jìn)水口前漩渦特性的常用方法。目前關(guān)于漩渦特性的研究主要集中在淹沒水深較大、進(jìn)水口結(jié)構(gòu)不變的泄洪洞以及電站進(jìn)水口等，而對于弧形閘門局部開啟時閘前漩渦特性的研究較少。為了研究弧形閘門前漩渦的水力特性以及黏性力和表面張力對弧形閘門前漩渦的影響，以某泄洪閘弧形閘門為研究對象，采用2個不同比尺的模型試驗及理論分析方法，對弧形閘門局部開啟時閘前吸氣漩渦的水力特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，閘前漩渦是行進(jìn)水流橫向和縱向突然收縮共同作用的結(jié)果?；⌒伍l門前水面紊動較大，所以閘前漩渦頻率較高，持續(xù)時間較短，閘門開度越大，閘前吸氣漩渦越強。若按照弗勞德數(shù)準(zhǔn)則設(shè)計模型試驗，當(dāng)來流雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)大于某一臨界值時，可以忽略黏性力和表面張力影響。

弧形閘門； 漩渦； 模型試驗； 比尺影響； 雷諾數(shù)； 韋伯?dāng)?shù)

水利工程進(jìn)水口前形成的吸氣漩渦，會引起工程震動、降低泄流能力、造成空化空蝕等危害[1]。目前研究水利工程中漩渦水力特性的主要方法仍然是物理模型試驗。流體的主要作用力有重力、黏性力和表面張力，但是進(jìn)行小比尺物模試驗時，所有作用力不可能按相同的比尺縮小，當(dāng)按照主要作用力，即重力相似準(zhǔn)則來設(shè)計模型試驗時，就忽略了黏性力和表面張力的相似，所以模型試驗結(jié)果轉(zhuǎn)換到原型時可能引起誤差。目前關(guān)于避免小比尺模型試驗誤差的主要觀點是：滿足弗勞德數(shù)準(zhǔn)則同時考慮黏滯力和表面張力的影響[2]，即當(dāng)雷諾數(shù)Re和韋伯?dāng)?shù)We大于其臨界值時，可以忽略黏滯力和表面張力的影響，前人關(guān)于臨界Re和We的研究成果[3-10]如表1所示。

表1 臨界Re和We研究成果Tab.1 Research results of critical Reynolds and Weber numbers

由表1可見，前人的研究結(jié)果還存在差異，且前人關(guān)于漩渦特性的研究主要集中在淹沒水深較大、進(jìn)水口結(jié)構(gòu)不可變的泄洪洞以及電站進(jìn)水口等，關(guān)于弧形閘門前漩渦特性的研究較少[11]。所以本文利用2個不同比尺的模型試驗和理論分析，對某泄洪閘工程弧形閘門局部開啟時，閘前吸氣漩渦的水力特性以及比尺影響進(jìn)行了試驗和理論研究。

1 不同比尺試驗對比研究

1.1 試驗?zāi)Ｐ图霸O(shè)備

某渠首泄洪閘工程，閘室原型尺寸如圖1所示，每孔凈寬b=7 m，每個邊墩厚度t=1.25 m，閘室總長20.49 m(閘墩長度)，閘底板高程為1 746.0 m，閘頂高程為1 756.0 m，閘室高10.0 m。校核設(shè)計水位為1 755.37 m，校核流量為1 170 m3/s；設(shè)計水位和正常蓄水位為1 754.34 m，設(shè)計流量為980 m3/s。該泄洪閘共3孔，本研究選其中一孔作為研究對象，進(jìn)行2個不同比尺的模型試驗研究，比尺分別為1∶50和1∶20，試驗按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計。試驗范圍包括整個閘室段。為了避免模型前行進(jìn)水流對試驗的干擾，在閘室段上有設(shè)置了長l=80 m的導(dǎo)流渠，導(dǎo)流渠寬度B=9.5 m，導(dǎo)流渠長寬比l/B=8.42，根據(jù)Gulliver等[12]的研究，當(dāng)l/B>3.14時，模型進(jìn)口引進(jìn)的環(huán)量可以忽略。兩個模型包括閘室段和導(dǎo)流渠段幾何完全相似，試驗忽略了檢修閘門槽。1∶50的模型安裝在長7 m，寬0.25 m，高0.5 m的自循環(huán)水槽內(nèi);1∶20的模型安裝在長40.0 m，寬0.6 m，高1.0 m的自循環(huán)水槽內(nèi)。為滿足觀測要求，兩個水槽的側(cè)壁均為透明玻璃制作，模型為透明有機玻璃制作。

圖1 閘室原型結(jié)構(gòu)及模型Fig.1 Sluice structures and models

1.2 試驗測量方法

為了滿足對比要求，兩個模型試驗閘門開度通過比尺換算一一對應(yīng)，閘門最小試驗開度0.25 m(原型)，然后以0.25 m(原型)為增幅遞增。每個開度下，調(diào)節(jié)水位慢慢升高，試驗水位范圍從1 746.39 m到1 755.72 m，其中包括校核設(shè)計水位1 755.37 m和設(shè)計水位1 754.34 m。1∶50的模型試驗，每次調(diào)節(jié)水位增幅大約為0.3 cm，1∶20的模型水位增幅大約為1.0 cm，水位采用水位測針測量。水位穩(wěn)定后，觀測并記錄閘前漩渦的水力特性，測量各水位下漩渦的發(fā)生頻率，從而確定吸氣漩渦的臨界淹沒水深。同時測量并記錄流量，流量由安裝在水槽末端的薄壁矩形量水堰測量。從而確定每一個開度下漩渦發(fā)生的上下限臨界淹沒水深Sc以及水力特性。如圖1所示，進(jìn)水口淹沒水深為S，剛剛發(fā)生吸氣漩渦時的淹沒水深S定義為臨界淹沒水深Sc，當(dāng)S大于Sc上限或小于Sc下限時，均無吸氣漩渦發(fā)生。

電站等淹沒深度較大的進(jìn)水口，形成的漩渦較穩(wěn)定，所以大部分研究定義Sc為漩渦的空氣核心剛剛到達(dá)進(jìn)水口時的水深，也有研究[12]認(rèn)為吸氣持續(xù)10 s以上時的水深為Sc。但由于弧形閘門前漩渦頻率較高，持續(xù)時間較短，且漩渦總是成對出現(xiàn)，即靠近左右閘墩各形成一個。裴少鋒等[11]統(tǒng)計閘門前漩渦最高頻率約為60對/min，試驗中吸氣漩渦頻率最高時達(dá)每分鐘上百對，所以通過統(tǒng)計確定，1∶50的模型上，以吸氣漩渦發(fā)生頻率2對/min時的水深作為漩渦發(fā)生的Sc，通過時間比尺換算，對應(yīng)1∶20的模型上以吸氣漩渦發(fā)生頻率為1.25對/min時的水深作為漩渦發(fā)生的Sc。選擇依據(jù)是2對/min和1.25對/min相對于100對/min時的水深可認(rèn)為是剛剛發(fā)生吸氣漩渦的Sc。為避免偶然吸氣漩渦的影響，1∶50模型試驗觀測時間為10 min，1∶20模型試驗觀測時間為16 min。

2 閘門前漩渦特性分析

2.1 特性對比

圖2 閘前漩渦形態(tài)Fig.2 Vortex shapes in front of gate

裴少鋒等[11,13]研究認(rèn)為進(jìn)水口漩渦的形成原因主要是軸向流速和切向流速的共同作用，而本試驗研究的閘前漩渦軸向流速主要由進(jìn)水口的Fr決定，切向流速的影響即為來流環(huán)量的影響。閘門開度2 m(原型)、進(jìn)水口淹沒水位8.7 m(原型)時，1∶50和1∶20模型上閘前漩渦及水流形態(tài)如圖2所示。從圖中墨跡可以發(fā)現(xiàn)行進(jìn)水流進(jìn)入閘室時，受到閘墩縮窄作用，突然收縮，類似于圓柱繞流引進(jìn)環(huán)量。另外，閘前行進(jìn)水流在流速和縱向突然收縮的作用下，撞擊閘門，形成回流，回流方向與閘墩繞流引進(jìn)的環(huán)量方向相同，增強了誘發(fā)漩渦形成的環(huán)量。所以在進(jìn)水口Fr和行進(jìn)水流橫向和縱向收縮作用下，在靠近閘墩附近形成漩渦，且漩渦環(huán)量方向相反，漩渦位置并無固定規(guī)律，只是在一定區(qū)域內(nèi)，可以定義可能發(fā)生漩渦的區(qū)域為漩渦區(qū)，而漩渦區(qū)的強弱及大小由來流收縮比、進(jìn)水口淹沒水深和行進(jìn)水流流速決定。

由圖2對比可以發(fā)現(xiàn)，2個不同比尺模型上，漩渦尺度和位置相似，自由水面附近，空氣渦核直徑轉(zhuǎn)換為原型大約為0.5 m。由于弧形閘門前水深相對較小，所以閘前水面波動較大，導(dǎo)致漩渦頻率較高，持續(xù)時間較短。尤其是Sc下限附近，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，水位較低時，行進(jìn)水流縮窄引起的環(huán)量作用并不明顯，此時進(jìn)水口Fr是漩渦發(fā)生的主要因素。而當(dāng)水位較高時，尤其是Sc上限附近，水面紊動減小，漩渦相對穩(wěn)定，此時進(jìn)水口Fr作用減弱，水面墨跡顯示來流環(huán)量作用比較明顯。當(dāng)閘門開度較小時，閘前無吸氣漩渦發(fā)生，隨著閘門開度增大，漩渦逐漸增強，當(dāng)閘門開度足夠大時，Sc下限即為剛剛發(fā)生孔流時的淹沒水深，也可理解為不存在Sc下限。

2.2 實測數(shù)據(jù)對比

兩個模型中實測Sc下限值與進(jìn)水口Fr的關(guān)系見圖3。其中，Sc無量綱化為Sc/e，e為閘門開度；進(jìn)水口Fr=V/(2g)0.5，V為進(jìn)水口流速，g為重力加速度。由圖3可見，2個比尺的模型試驗數(shù)據(jù)分布在一條曲線上，無法分析實測Sc的差別。原因是泄流量由閘門開度決定，圖3所示關(guān)系曲線等同于水位流量關(guān)系曲線，所以由圖3分析可得：兩個模型流量相似，比尺對泄流量并沒有影響。

為研究不同比尺下Sc的差異，最直觀的方法是對比各開度下兩個模型的Sc變化趨勢(如圖4)。其中閘門開度e無量綱化為進(jìn)水口高寬比b/e，b=7.0 m(原型)。由圖4可見，當(dāng)b/e>5.6時，1∶50模型上閘門前無吸氣漩渦發(fā)生。而1∶20模型試驗當(dāng)b/e>7.0時，閘門前無吸氣漩渦發(fā)生，從而可以看出，在開度較小的工況下，1∶50模型試驗漩渦強度較弱。另外閘門開度較大時，即b/e≤3.5時，兩個模型試驗Sc下限數(shù)據(jù)重合，漩渦強度相同。當(dāng)b/e<2.8時，兩個比尺的試驗Sc下限均為剛剛發(fā)生孔流時的淹沒水深。由于泄洪閘高度的限制，當(dāng)b/e<3.5時1∶20模型試驗Sc上限已經(jīng)高于模型，無法獲得。

閘門各開度下，發(fā)生吸氣漩渦的Sc是一定的，而每個水深條件下，進(jìn)水口的Fr是唯一確定的，所以也可用臨界Fr來判斷是否發(fā)生吸氣漩渦。如圖5所示，臨界淹沒水深條件下Fr隨b/e的變化規(guī)律，可以看出其變化趨勢與Sc變化趨勢完全相同。

圖3 Sc隨Fr的變化規(guī)律Fig.3 Variation of Sc with Fr

圖4 Sc隨b/e的變化規(guī)律Fig.4 Variation of Sc with b/e

圖5 Fr隨b/e的變化規(guī)律Fig.5 Variation of Fr with b/e

3 黏性力和表面張力影響分析

表1中前人研究得到的臨界Re均分布在1.5×104～1.1×105，臨界We在120～720，試驗實測Sc下限值對應(yīng)的Re和We列于表2，由于研究的是側(cè)部進(jìn)水口，漩渦在閘門前形成，所以表2中的Re和We為閘前來流的雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)。從表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)1∶20模型上最小Re和We大于表1中所有臨界值，所以可先假設(shè)1∶20 模型試驗黏滯力和表面張力無影響。

表2 實測Sc/e下限值對應(yīng)的Re和WeTab.2 Reynolds and Weber numbers corresponding to measured lower Sc/e

如圖4所示，兩個模型實測Sc下限相交于b/e=3.5處，由于模型高度限制，Sc上限并沒有相交。首先從Sc下限的角度分析，當(dāng)b/e≤3.5時，1∶50模型試驗數(shù)據(jù)與1∶20模型試驗數(shù)據(jù)相似，則認(rèn)為當(dāng)b/e≤3.5時，黏性力和表面張力沒有影響，所以只需要確定1∶50模型上相交點處的Re和We以及其變化規(guī)律就能確定避免縮尺效應(yīng)的臨界Re和We。如表2所示，當(dāng)b/e≤3.5時，1∶50模型上，Re≥5.1×104，We≥ 142，所以可得出結(jié)論：弧形閘門局部開啟時，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計的模型試驗，當(dāng)Re≥5.1×104，We≥ 142，可以忽略黏滯力和表面張力的影響。而1∶20模型試驗所有Sc對應(yīng)的Re和We都滿足此臨界值，所以前文假設(shè)1∶20 模型黏滯力和表面張力無影響是成立的。

另外需要注意兩點：一是由于未將Re和We分開考慮，所以得到的避免黏性力和表面張力影響的條件只是充分條件；二是由于閘門前進(jìn)水口漩渦影響因素復(fù)雜，只針對簡單的弧形閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，所得結(jié)論僅限于本文及類似本文的研究條件。模型試驗得到的臨界值也在前人研究成果的范圍內(nèi)，雖然進(jìn)水口類型不同，但臨界Re和We相差并不大。

4 結(jié) 語

通過不同比尺的模型試驗發(fā)現(xiàn)，弧形閘門局部開啟時，軸向流速和來流環(huán)量是閘前漩渦形成及發(fā)展的主要影響因素，而軸向流速由進(jìn)水口的Fr決定，來流環(huán)量由行進(jìn)水流橫向和縱向收縮決定。當(dāng)閘前水位較低時，進(jìn)水口的Fr起主要作用，來流環(huán)量影響較小，當(dāng)水位較高時，來流環(huán)量作用明顯。另外可以利用臨界Fr來判斷是否發(fā)生吸氣漩渦。

通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閘門開度較小時，閘前漩渦較弱，甚至無漩渦產(chǎn)生，閘門開度越大，越容易形成吸氣漩渦。研究弧形閘門前漩渦時，當(dāng)來流的Re>5.1×104和We>142時，即按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計的模型進(jìn)行試驗，可以忽略黏滯力和表面張力的影響。

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Experimental studies on characteristics of vortex formed in front of radial gate

SUN Hongliang, LIU Yakun, ZHANG Hongyu, LIU Jiejie

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)

The air core vortex is a common hydraulic problem in front of the intakes placed on the hydraulic works. A model experiment method is a usual way to study the hydraulic characteristics of the vortex in front of the intakes. At present, the previous studies of the vortex hydraulic characteristics are mainly focused on the intakes of the spillway tunnels or water intakes of the hydropower stations, which have the unchanged structures and deep-water submergence. In contrast to these model tests, there is a few studies of the hydraulic characteristics of the vortex in front of the partially opened radial gate. In order to study the hydraulic characteristics of the vortex in front of the partially opened radial gate and influences of viscous force and surface tension on this vortex, the air core vortex formed in front of the partially opened radial gate of a flood releasing sluice was taken as a research object in this study. A theoretical analysis method and two comparative experiments of different scale models were carried out to study the air core vortex in front of the partially opened radial gate. The results show that the vortex formed in front of the partially opened radial gate is a result of transverse and vertical contraction of the progressive flow. And the turbulent fluctuation of the progressive flow in front of the radial gate is strong, so the vortex frequency in front of the gate is high and the inspiration duration of the vortex is short. Further, the more the radial gate opened, the stronger the intensity of the air core vortex is. If the experimental models are operated according to the Froude number similarity criterion, the influences of the viscous force and surface tension on the modeling vortex can be ignored when the Reynolds and Weber numbers are larger than a certain critical value. The research results of this paper can provide a reference and basis for future researches and engineering designs.

radial gate; vortex; model experiment; scale effects; Reynolds number; Weber number

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.002

2016-04-11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51479022, 2014001)

孫洪亮(1985—)，男，吉林長春人，博士研究生，主要從事工程水力學(xué)方面研究。 E-mail:15642349041@163.com 通信作者：劉亞坤(E-mail: liuyakun@dlut.edu.cn)

TV131.6

A

1009-640X(2017)02-0010-06

孫洪亮， 劉亞坤， 張鴻煜， 等. 弧形閘門前漩渦特性研究[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(2): 10-15. (SUN Hongliang, LIU Yakun, ZHANG Hongyu, et al. Experimental studies on characteristics of vortex formed in front of radial gate[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 10-15. (in Chinese))