水平旋流內(nèi)消能泄洪洞段與尾水洞段流態(tài)適用性研究

趙 洋， 牛爭鳴， 李奇龍， 王天時， 賈 飛

(西安理工大學(xué)， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

旋流式消能是在旋流洞內(nèi)設(shè)置起旋裝置[1]，使水流在洞內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)進(jìn)行消能的內(nèi)消能方式，具有消能率高、施工簡單和布置靈活等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。曹雙利[4]通過模型試驗，在旋流條件下對水平旋流內(nèi)消能泄洪洞環(huán)流空腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化規(guī)律及與各水力特性的關(guān)系進(jìn)行了研究。南軍虎等[5]采用原型與不同比尺模型試驗對比和理論分析的方法，研究了公伯峽水平旋流泄洪洞的水力特性，初步探討了模型的縮尺效應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)水流挾氣使空腔內(nèi)形成負(fù)壓，通風(fēng)由通氣孔進(jìn)出口的壓差產(chǎn)生，空腔內(nèi)真空度是原、模型通風(fēng)量相似的主要影響因素[6]。李奇龍等[7-8]通過數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)旋流洞段發(fā)生空化空蝕可能性較小，而擴(kuò)散段末端有出現(xiàn)空化空蝕的可能性，然后對泄洪洞在不同阻塞體型下的流態(tài)進(jìn)行研究。洪鏑等[9]研究表明環(huán)形摻氣坎上游豎井段、起旋室內(nèi)及水平旋流洞內(nèi)壓力隨時間變化趨勢原型和模型的基本一致，符合重力相似準(zhǔn)則。

牛爭鳴等[10]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)在豎井為有壓流的條件下，水平旋流泄洪洞的流態(tài)可分為自由流、吸吮流和淹沒流3種基本流態(tài)。南軍虎等[11-12]發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能夠客觀地反映出空腔旋流內(nèi)部的流場特性。栗帥等[13]通過數(shù)值模擬獲得了各個流段不同的水流流態(tài)、流速、壓強(qiáng)以及消能率的沿程分布和特性，計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合良好。丁浩鐸[14]通過試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)上游水位一定時，起旋器喉口和阻塞孔口收縮比決定了大坡降水平旋流洞段的流態(tài)及各項水力特性。南軍虎等[15]、牛爭鳴等[16-17]為了揭示空腔旋流內(nèi)部的壓強(qiáng)特性，以公伯峽水平旋流消能工為例，采用理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行了分析。南海龍[18]研究水流的流態(tài)與工作水頭的關(guān)系，通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)對水流流態(tài)進(jìn)行分類，并得到臨界工作水頭的變化范圍。

本文通過一種新型的泄洪內(nèi)消能工模型試驗，探究水平旋流洞段空腔直徑變化規(guī)律，根據(jù)明渠水躍流態(tài)的發(fā)展變化，將下游水平旋流洞段與尾水洞段的水流流態(tài)分為3種：旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍、旋流臨界水躍、旋流淹沒出流，并且探究不同水流流態(tài)滿足的下游水位條件，為水平旋流洞洞身設(shè)計和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究主要采用系列水工模型試驗與影響因素的量綱分析方法，并結(jié)合必要的理論分析進(jìn)行。試驗?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨圃O(shè)計，幾何比尺1∶60.25，各物理量原型與模型的比尺關(guān)系見表1。試驗按原型流量1 200 m3/s，最大總作用水頭150 m進(jìn)行設(shè)計。

2.1 上游進(jìn)口段直徑的選擇

表1 原、模型各物理量的比尺關(guān)系

2.2 起旋器的設(shè)計

起旋器孔口的泄流能力按公式(1)計算：

(1)

式中：Q2為起旋器孔口泄流量，m3/s；μ2為起旋器孔口流量系數(shù)，取0.3～0.4；A為起旋器孔口過流面積，m2；H2為起旋器孔口處總的作用水頭，m；Pv為水平旋流洞段壁面壓強(qiáng)值，m。

2.3 模型試驗工況

本文提出的梯級內(nèi)消能工模型主要由兩部分組成，第1部分為水平洞內(nèi)的收縮淹沒射流消能，第2部分為豎井接水平旋流洞再接阻塞擴(kuò)散段的旋流消能與阻塞擴(kuò)散消能。設(shè)計模型試驗工況如表2所示(H為上游水位，h為下游水位，D為管道直徑)。

表2 模型試驗設(shè)計工況

2.4 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

整個模型部分主要由上游水平淹沒射流洞段和下游水平旋流洞段組成。模型示意圖如圖1所示，現(xiàn)場安裝模型如圖2所示。選取上游進(jìn)口段管徑d1=16cm，管長L1可選擇(5～10)d1，因此取L1=5d1=5×16=80 cm。上游擴(kuò)散段管長L2，可選擇(5～10)d1，選擇L2=9d1=144 cm，管徑選擇21 cm。通過公式(1)的計算，豎井段和起旋器連接部分設(shè)計為圓變方，上邊圓的直徑為15 cm，與起旋器連接處為15 cm×9.33 cm的長方形接口。旋流洞直徑選擇與上游淹沒射流洞段射流前的管道直徑相同，即d3=16 cm，旋流洞長度選擇L3=8D=128 cm。尾水管直徑選擇現(xiàn)有的d4=21 cm管徑，長度L4=18D=288cm。下游阻塞采用圓臺體，長度為23cm,直徑從16cm逐漸過渡到13cm。

3 結(jié)果與討論

3.1 水平旋流洞段空腔直徑變化特性

本文結(jié)合相關(guān)研究成果，在不同上游水位下對水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的空腔直徑及空腔位置進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖3、4所示。其中X為以起旋器最前端為基點(diǎn)沿水平旋流洞方向的距離，D為水平旋流洞洞徑，r為空腔半徑。無量綱因次量X/D表示相對洞徑大小水平旋流洞方向的距離，X/D=0為起旋器最前端，X/D=9.1為水平旋流洞末端，X/D=10.3為阻塞收縮段末端。

圖1 模型設(shè)計示意圖 圖2 模型安裝現(xiàn)場圖

圖3 上游水位12D時空腔直徑沿程變化規(guī)律 圖4 上游水位10.9D時空腔直徑沿程變化規(guī)律

根據(jù)圖3和圖4分析可知，對于不同的上游水位，空腔直徑沿程變化的趨勢基本上均呈現(xiàn)出先增大、再減小、再增大的規(guī)律。當(dāng)相對洞徑大小水平旋流洞方向的距離即0

當(dāng)1.5

當(dāng)9.19.1時，隨著旋流洞洞徑逐漸收縮，旋轉(zhuǎn)水流流速逐漸增大，空腔直徑逐漸增大。

3.2 下游水平旋流洞段與尾水洞段流態(tài)特性

為了觀測下游水平旋流洞段和尾水洞段的流態(tài)，選擇上游水位10.9D時，下游水位分別為0.5D、0.85D、1.0D、1.25D、1.6D、3.2D6種工況進(jìn)行觀測。試驗中同時觀測下游水平旋流洞內(nèi)空腔直徑的變化和尾水流態(tài)變化，觀測結(jié)果歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)下游尾水洞明流狀態(tài)。當(dāng)下游水位h<0.5D時，旋流洞段的旋流空腔直徑基本穩(wěn)定，水流進(jìn)入尾水洞段在很短的距離內(nèi)與氣體完成了混摻，由于水流慣性的作用旋轉(zhuǎn)還會前進(jìn)一段距離，一定距離后才會形成明流狀態(tài)，該流態(tài)一直保持至尾水池中，對于尾水管中水流無影響。

(2)下游尾水洞遠(yuǎn)驅(qū)水躍狀態(tài)。當(dāng)下游水位0.5D﹤h﹤0.85D，下游水躍進(jìn)入尾水管道中，還未與擴(kuò)散段相連接，擴(kuò)散段后內(nèi)部仍是旋流空腔，如圖5和6所示，在擴(kuò)散后大約5D距離后形成明流，再經(jīng)過一段明流距離與下游水流相接，形成水躍，隨著下游水位的不斷增高，尾水洞段的明流區(qū)域不斷減小，直至消失。

(3)下游尾水洞段臨界水躍狀態(tài)。當(dāng)下游水位0.85D﹤h﹤0.95D時，此時尾水洞段明流區(qū)域已經(jīng)消失，阻塞擴(kuò)散段后的旋轉(zhuǎn)水流與下游水位影響尾水管的水流進(jìn)行連接，如圖7所示。此時水流流態(tài)不穩(wěn)定，會因為下游水位或者上游水位的微小變化而改變，在淹沒流與明流之間轉(zhuǎn)化。

(4)下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(有空腔)。當(dāng)下游水位0.95D﹤h﹤1.25D時，下游的氣體不斷進(jìn)入到尾水管中，直至淹沒。下游水位對于擴(kuò)散段旋轉(zhuǎn)流影響很大，阻塞擴(kuò)散后的水流距離不斷減小，直至消失，在尾水洞段形成了淹沒流，在管道中逐漸形成穩(wěn)定的氣腔，沿著水流的方向，空腔直徑逐漸減小，直至消失，如圖8所示。水平旋流洞段的空腔直徑變化不大。

(5)下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(無空腔)。當(dāng)下游水位1.25D﹤h﹤3.2D時，下游水位對于尾水洞段和旋流洞段影響極大，如圖9所示，尾水洞段的空腔逐漸向阻塞口推進(jìn)，尾水洞段為無氣泡的淹沒射流。旋流洞段的空腔直徑不斷減小，阻塞口與尾水洞段的接口處，水氣兩相流也慢慢消失，淹沒流逐漸向旋流洞內(nèi)靠近。在起旋器處的通氣管道中，可以明顯看出有水流逐漸淹沒通氣孔，最高可達(dá)0.3D。

(6)下游尾水洞段與旋流洞段全淹沒狀態(tài)。隨著上述5種流態(tài)變化趨勢，可以得出：當(dāng)下游水位h大于3.2D時，下游水位的不斷增加，會逐漸淹沒水平旋流洞，洞中的旋流空腔直徑會慢慢變小，直至消失，如圖10所示。此種狀態(tài)為下游全淹沒狀態(tài)，在整個下游均為淹沒流流態(tài)，通氣孔中也會出現(xiàn)水流，不會再有氣體的吸入與排出，但是水流的流速及壓強(qiáng)還是旋轉(zhuǎn)流的水力特性。

3.3 下游水平旋流洞段與尾水洞段洞壁壓強(qiáng)特性

上游水位分別為12D、10.9D的情況下，不同下游水位條件下水平旋流段及尾水洞段壁面壓強(qiáng)觀測結(jié)果如圖11、12所示。

根據(jù)圖11和圖12的數(shù)據(jù)分析，在同一上游水位情況下，隨著下游水位的變化，水平旋流洞壁面壓強(qiáng)和尾水洞段壁面壓強(qiáng)變化趨勢相同；當(dāng)下游水位h在0.5D和2.0D之間變化時，旋流洞段管壁壓強(qiáng)相對變化幅度不大，當(dāng)h大于2.0D時，管壁壓強(qiáng)變化幅度較大，下游水位對于旋流洞管壁壓強(qiáng)影響很大，隨著下游水位的升高，旋流洞管壁壓強(qiáng)增大；當(dāng)水流經(jīng)過下游阻塞收縮斷時，由于流速增大，管壁壓強(qiáng)極小，小于0.1H，在經(jīng)過收縮段到尾水洞時，由于是空腔中的空氣與水在極短的距離混合，流態(tài)復(fù)雜，會出現(xiàn)負(fù)壓。尾水洞段管壁壓強(qiáng)沿程減小，沿程變化幅度較小，但是受到下游水位的影響較大。

圖5 旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍出口段 圖6 旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍中間段 圖7 旋流臨界水躍

圖8 旋流淹沒水躍(有空腔) 圖9 旋流淹沒水躍(無空腔) 圖10 下游水平旋流洞段全淹沒水躍

圖11 上游水位12D時不同下游水位旋流洞壓強(qiáng) 圖12 上游水位10.9D時不同下游水位旋流洞壓強(qiáng)

4 結(jié) 論

(1)水平旋流內(nèi)消能工下游尾水洞段和水平旋流洞段流態(tài)可細(xì)分為以下6種：下游尾水洞明流狀態(tài)；下游尾水洞遠(yuǎn)驅(qū)水躍狀態(tài)；下游尾水洞段臨界狀態(tài)；下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(有空腔)；下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(無空腔)；下游尾水洞段與旋流洞段全淹沒狀態(tài)。

(2)當(dāng)水平旋流洞方向的距離即0

(3)上游水位H=8.0D、下游水位為明流狀態(tài)時，淹沒射流段為明流狀態(tài)，豎井為下跌流態(tài)，并形成淹沒流態(tài)，此時由于水流對于豎井管壁的撞擊，豎井管震動較大。上游水位H=8.26D、下游水位為明流狀態(tài)時，豎井段的水位在上游管道中心，上游可看到射流狀態(tài)，豎井段中摻氣明顯，為水氣兩相流直致起旋器形成旋流，并且豎井有水躍向射流段推進(jìn)。

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