小流量豎井旋流消能模型試驗研究

郭一萌，宗 原

（1.華北水利水電大學，河南鄭州450046；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

小流量豎井旋流消能模型試驗研究

郭一萌1，宗 原2

（1.華北水利水電大學，河南鄭州450046；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

豎井旋流消能結構水力特性極其復雜，理論計算尚處于發(fā)展階段，在小流量下，理論計算和體型設計是否可行，需要通過模型試驗研究進行驗證。文中采用1∶15大比尺整體模型開展試驗研究，結果表明小流量豎井旋流消能計算豎井直徑時，半經(jīng)驗公式中，假定的=1.61偏小，r/R臨界值需調(diào)整為0.60。

小流量；豎井旋流消能；試驗研究

1 研究背景

旋流式豎井作為水工結構最初是由Drioli（1947）提出的，后來Laushey和Mavis（1953）將其應用于城市地下排水系統(tǒng)，并逐步得到推廣。20世紀80年代美國和加拿大學者對于大流量、高流速旋轉水流的水力特性研究取得了巨大的進展。

近年來國內(nèi)學者進行了大量的研究，有2座水電站已成功應用與實踐，泄流量分別為1 400 m3/s， 240 m3/s，而此次研究泄流量僅為4.4 m3/s。豎井旋流消能方式是否適用于小流量，采用半經(jīng)驗公式法進行體型設計是否可行，需要通過模型試驗研究進行驗證。

2 基于理論計算體型設計的試驗研究

豎井旋流消能工程由常規(guī)的壓力短進水口、進口引水段、豎井消能段、退水段組成。豎井消能段包括渦室段、豎井收縮段、豎井直段以及下部消力池。豎井段的過流量主要取決于豎井進口尺寸，此處斷面直徑的大小由不發(fā)生嗆水的臨界狀態(tài)所決定，一般采用半經(jīng)驗公式法近似計算。

半經(jīng)驗法求豎井直徑最早是在蘇聯(lián)MHCH的試驗室中首先獲得的，后美國IOWA大學采用不同的研究方法也獲得了同樣的計算公式。

首先定義豎井進口處旋渦弗勞德數(shù)Fr：

式中：R為豎井半徑；r為空腔半徑；v為虛構的豎井軸向斷面平均流速；g為重力加速度，取9.81。將Q=π(R2-r2)V代入式（1）得：

式中：Q為流量。當Fr＞1.61，/R＞0.4時，豎井進口處不發(fā)生嗆水現(xiàn)象。將臨界值r=0.4R代入式（2）可得豎井直徑：

工程基于已建立的大流量豎井旋流設計研究成果進行體型設計，半經(jīng)驗法確定豎井直徑為1.62 m，采用1∶15的大比尺整體模型進行試驗研究。

2.1 引水漸變段水流流態(tài)

根據(jù)試驗觀測，在計算體型下，引水漸變段水流較平穩(wěn)，上部水流切向進入渦室起旋，底部水流無法起旋，垂直跌入豎井。可見，在半經(jīng)驗公式假定的弗勞德數(shù)臨界值下，渦室入口的水流無法起旋。

2.2 渦室與豎井的水流流態(tài)

水流進入渦室后，水流緊貼渦室壁面運動，原水平方向速度轉化為切向速度，沿螺旋軌跡進入豎井。水流旋轉的同時，在重力作用下向下加速，緊貼豎井壁面形成螺旋流，豎井中心形成比較穩(wěn)定的、連通的空腔，水流具有自由表面，越往下流速越高，水層厚度越薄，空腔半徑越大。水流進入豎井后，由于邊壁摩擦力的作用，沿邊壁切向的流速會越來越小，而沿豎井軸線方向的法向流速，則由于重力的作用越來越大，使水流流速越來越小，在豎井出口附近，水流不再旋轉，垂直下泄。

根據(jù)試驗觀測，在理論計算體型下，表層水流起旋不夠充分，部分水流直接跌入豎井中。起旋水流在渦室內(nèi)旋轉半周后，與軸線成近似45°角旋轉，回轉水流在渦室進口起旋水流下部通過，不發(fā)生對沖，在兩股水流中間部分水流脫離邊界。水流在通過漸變段后，在豎井內(nèi)形成穩(wěn)定的空腔。

3 適用于小流量豎井旋流消能的試驗研究

從基于理論計算體型設計的試驗研究來看，大流量的豎井旋流消能體型設計并不適用于小流量工程，主要問題在于：一方面小流量工程的起旋流速較小，在渦室內(nèi)不能充分起旋，導致在豎井中僅有部分旋流，部分水流直接跌落；另一方面，豎井直徑較大，旋流沿程水頭損失較大。

基于上述問題，對體型進行了調(diào)整，通過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，收縮渦室進口斷面寬度、增加引水漸變段底坡可有效改善漸變段出口跌流現(xiàn)象，特別是設置圓弧形底坡，坡度沿程增加，可改善漸變段出口由于束窄而引起的壅水現(xiàn)象。同時對減小豎井直徑，將r/R的臨界值調(diào)整為0.60。

對理論計算體型進行調(diào)整后，引水漸變段水面線沿程下降，水深變化不大，水流順暢，沒有壅水的現(xiàn)象，水流進入渦室后，回轉水流與渦室內(nèi)旋流相切，水流充分起旋，渦室內(nèi)最高水位基本一致。

3.1 豎井空腔段水層厚度

從測量結果可以看出，豎井空腔段水面波動不大；水層厚度在0.11～0.29 m之間，r/R＞0.60。

從水層厚度的沿程分布可以看出，在豎井內(nèi)部水層厚度梯度在上部較大，中部較小，在出口處達最大。

3.2 渦室及豎井內(nèi)最大壓力推算

根據(jù)試驗結果表明，渦室及豎井最大壓力發(fā)生在渦室與豎井連接的漸變收縮段出口，由于引水漸變段為急變流，受渦室旋轉水流的影響，在渦室進口發(fā)生水躍，流態(tài)比較復雜，假設渦室進口斷面的切向流速等于該斷面的平均流速，渦室進口斷面同漸變收縮段出口斷面，任意點的動量矩相等，即：

式中：r′，vvt——漸變收縮段出口斷面旋轉水層任意點半徑、相應的切向流速；l——引水漸變段（渦室進口中軸線）與渦室中軸線的間距。

渦室內(nèi)壁壓力的積分表達式：

式中：r′——漸變收縮段出口斷面空腔半徑；R——豎井半徑；P——渦室內(nèi)壁壓強；γ——重度。

將試驗測得的漸變收縮段出口空腔半徑r′= 0.39代入得 P/γ=2.80 m，最大壓強為2.80× 9.81 kPa，試驗測得最大壓強為2.73×9.81 kPa，計算結果基本一致。

根據(jù)以往的研究成果，適用于橢圓同渦室連接的相對空腔半徑的經(jīng)驗公式為：

由式（9）計算可得，P/γ=7.57 m，最大壓強為7.57×9.81 kPa，遠大于試驗最大壓強為2.73×9.81 kPa。從式（8）計算，n=r/R≈4.2。而從試驗結果來看，n=r/R≥0.6?？梢钥闯觯诮?jīng)驗公式中經(jīng)驗系數(shù)0.4偏小，若取為0.6，則式（9）計算結果為2.61 m，最大壓強為2.61×9.81 kPa，與試驗結果接近。

3.2 豎井直徑復核計算

根據(jù)試驗觀測，渦室內(nèi)未發(fā)生嗆水，試驗得的 r/R≥0.60大于經(jīng)驗值0.40。計算推薦方案Fr=2.18，則由式（2）推算，不嗆水的最小直徑為1.26 m，小于1.3 m。設計方案滿足要求。

在小流量旋流豎井中，在一定流量下，水層厚度基本一致，r/R≥0.60。根據(jù)式（2），在已知Q，R，r的條件下，F(xiàn)r表示為：

將Q=4.4 m3/s，R=0.75 m，r=0.6R=0.45 m代入，得2.26，略大于渦室進口弗勞德數(shù)2.18，與試驗結果相符。

4 結論

通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在小流量旋流豎井中，半經(jīng)驗公式臨界值Fr=1.61偏小。因為在小流量旋流豎井中，渦室進口流速較大流量條件下，流速要小很多，因此有可能發(fā)生跌流的現(xiàn)象。為了使水流充分起旋，渦室進口水流弗勞德數(shù)要更大，而在進口流速增加的情況下，豎井內(nèi)空腔直徑也相應增加，因此，需要將臨界條件r/R由0.40修正為0.60。

［1］宗原，王智，等.吉林松江河梯級雙溝水電站生態(tài)流量泄放工程水工模型試驗報告［R］.吉林：中水東北勘測設計研究院有限責任公司，2012．

［2］D.L.VISCHER&W H.HAGER，Vortex Drops,Energy Dissipators，Hydraulic Structure Design Manual（9），IAHR，1995.

［3］趙燦華.豎井螺旋流水力學特性研究［J］.中國水利水電科學研究院,2001（3）.

［4］董興林，楊開林，馮賓春，等.旋流豎井式泄洪洞關鍵技術問題研究［J］．水利水電技術，2006(5)：37-40．

TV139.16 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）09—0049—02

2017-03-07