摻氣折流器對側(cè)空腔和底空腔長度的影響解讀

1、摻氣折流器對側(cè)空腔和底空腔長度的影響摘要：在突擴突跌摻氣設(shè)施中，為保證摻氣效果，增加底空腔的長度，加設(shè)折 流器是有效的工程措施。 試驗證明，折流器坡度和高度對空腔長度均有影響，較高的折流器增加空腔長度明顯，且使底空腔與側(cè)空腔貫通，有利于底空腔充分摻氣。回溯水流使底空腔變短， 有效空腔長度是影響摻氣效果的重要因素。 在空腔長度的 計算中應(yīng)綜合考慮， 頂板坡角，跌坎挑角和折流器體型的影響， 得出的計算公式有 實際應(yīng)用和理論意義。關(guān)鍵詞：摻氣折流器底空腔 側(cè)空腔射流對于高水頭泄水建筑物來說，除了要解決高速水流引起的空腔破壞外，閘門止水的安全和優(yōu)化問題也日漸突出。利用突擴突跌摻氣設(shè)施一方面可以滿足摻氣

2、減蝕可保證閘門止水 在國內(nèi)外已 因此通過試驗來研究 壓力分布、摻氣濃度的要求，另一方面適合于偏心鉸弧門采用同曲面液壓密封框止水， 的安全可靠和優(yōu)良運行。但突擴摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗和理論依據(jù)， 建工程中均有遭到空蝕破壞的事例，其原因尚未完全搞清楚。突擴突跌摻氣水流的規(guī)律，在側(cè)墻加設(shè)折流器后對空腔特性、 所造成的影響等有現(xiàn)實意義。1試驗方案及設(shè)備模型按重力相似試驗研究在三峽工程泄洪深孔突擴突跌摻氣水工模型上進(jìn)行。準(zhǔn)則設(shè)計，模型比尺為1 : 25,模型最大流量為350L/S，出口斷面流速為4.57 m/s,6 6Fr=2.473.59, Re=1.7 X02.4 XI0 , Wb=330490.模

3、型側(cè)向折流器， 模型中側(cè)收 縮寬度由零漸變至 2cm,側(cè)收縮坡度各取1 : 4, 1 : 6, 1 : 8,折流器高度各取為 H ,1/2H，1/3H（ H為孔口高度）。在側(cè)墻和底板上布置了時均壓力測孔、脈壓測孔、 摻氣濃度感應(yīng)片。摻氣通氣孔風(fēng)速用熱球式風(fēng)速儀測量，摻氣濃度用中國水利水電科學(xué)院研制的848型摻氣濃度儀量測。試驗為探討側(cè)向折流器不同高度和體型對側(cè)墻和底板各摻氣水力要素的影響, 研究比較了 6種方案。2試驗結(jié)果及分析2.1流態(tài) 由于側(cè)向突擴，水流從有壓段出口流出后向四周擴散，由二維流動變?yōu)檩^復(fù)雜的三維流動。 擴散水流撞擊側(cè)墻后， 向上擴散的水流形成水翅， 向下擴 散的水流形成水簾。

4、水翅回落至正常水面后在其下游又會激起沖擊波， 流態(tài)較復(fù)雜，水翅過高也會沖擊門鉸。 向下擴散的水簾增加底空腔的回溯水流， 減小了底空腔長 度。側(cè)向突擴水流對側(cè)墻的影響可大致分為 4 個區(qū)域， 即空腔區(qū)、 壓力驟變區(qū)、 低 壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)， Lb 為底空腔長度， Lr 為有效底空腔長度， Ls 為側(cè)空腔長度。Lf. 空腔區(qū)是自水流脫離孔口側(cè)試驗中定義沿側(cè)墻的水股高出同一斷面射流中心線水面的垂直高度為水翅高 度 Hf ，高出中心線水面部分的水平長度為水翅長度 壁起至水股在下游與側(cè)墻相交處的水平距離。水翅最大高度與水翅長度， 隨庫但與折流器坡度沒有明顯的相互側(cè)空腔長度變小， 孔口出流與突擴側(cè)墻 直接沖擊

5、弧形止水道。 這種 白色逆向水射流的沖擊點高水翅最高點位置， 隨庫水位的升高向下推移。 水位升高而明顯加大， 其與折流器的高度也有關(guān)， 關(guān)系。值得注意的是， 當(dāng)折流器高度較小時， 的沖擊角變大， 產(chǎn)生一股斜角向下的白色逆向水射流， 現(xiàn)象一般在折流器高度小于一半孔口高度時較多發(fā)生， 程與折流器高度有關(guān)。孔口出流與側(cè)墻沖擊角變小， 逆逆向水射流對弧形止水道邊構(gòu)不成威當(dāng)折流器高度超過一半孔口時， 側(cè)空腔加長， 向水射流減弱， 此時由于沖擊點向下游推移， 脅。2.2 側(cè)空腔長度側(cè)空腔長度是反映孔口出流自孔口側(cè)壁起至出流與下游側(cè)墻沖擊處的水平距 離。由于孔口側(cè)壁在垂直方向上為圓弧形，出流的橫向擴散沿水流

6、方向逐漸加強， 因此出流與側(cè)墻的沖擊交點與孔口的距離并不相等。 未加折流器時， 一般為頂部距 離大，底部距離小，加折流器后，頂部距離小，底部距離大。取孔口中心高程處孔 口側(cè)壁末端至出流與側(cè)墻的沖擊交點的水平距離為側(cè)空腔長度，各方案的試驗結(jié) 果?？梢钥闯?， 加設(shè)折流器可以加長側(cè)空腔長度， 其與折流器高度有關(guān)。 高度超過 孔高一半以上的折流器對加長側(cè)空腔長度有明顯效果， 相反， 高度低于孔高一半的 折流器， 與無折流器相比， 由于對孔口底部水流橫向擴散約束影響， 反而縮短了側(cè) 空腔長度。2.3 底空腔長度2.3.1底空腔長度試驗結(jié)果空腔長度越長，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此?？涨坏拈L短是衡量各種

7、方 案優(yōu)劣的重要指標(biāo)?？卓诔隽髅撾x跌坎后，水舌底緣沿程紊動擴散，摻氣量加大，水和空氣間形成 一道過渡帶，沒有明顯的氣水界面，這給底空腔長度的量測造成困難，對水舌底緣的判斷不同，測量結(jié)果差異較大。文獻(xiàn)1，2曾定義沿空腔中摻氣濃度為60%的等濃度線為空腔氣水界面，通過量測摻氣濃度分布來確定底空腔長度，顯然這種方法費時費力，后來產(chǎn)生出通過量測底板時均壓力來確定底空腔長度的方法，用P=0.4（Pmax-Pea）的位置來確定底空腔長度，式中：Pmax為底板上的最大時均壓力，為Pea空腔中的最小壓力。也有人直接用底板時均壓力最大點的位置來確定底空腔 長度。而與下式根據(jù)本試驗直接觀測到的底空腔長度數(shù)據(jù)與上述

8、兩種方法出入較大, 表達(dá)的底板時均壓力吻合。P=0.75 Pmax (1)大量試驗表明，水舌沖擊底板后，產(chǎn)生一部分水流沿底板向上游回溯的現(xiàn)象，實際凈空腔的長度遠(yuǎn)小于底空腔的長度。因此采用底空腔長度Lb來說明摻氣能力是不夠全面的，有效空腔長度Lr縮短，摻氣量減小，減蝕效果也大為削弱。馮家山和烏江渡等工程的原型觀測資料 3也表明，原型水舌下緣漩滾強度和回溯水流比模型更加嚴(yán)重。所以采用有效空腔長度來作為設(shè)計摻氣設(shè)施的依據(jù)是安全的。有效空腔長度的量測，與用底板時均壓力大小來確定空腔長度的方法進(jìn)行對比 分析發(fā)現(xiàn)，有效空腔長度值較符合下式表述的底板時均壓力值。P=0.18 Pmax (2)可以看出，空腔長

9、度和有效空腔長度，在一定程度上受折流器的影響，折流器越高，空腔長度越長，有折流器的方案比沒有折流器的方案空腔長度增加明顯。折流器寬度是從孔頂?shù)娇椎子闪銤u變至0.5m，有折流器的出流孔口實際上是頂部寬底部窄，折流器起到了把孔口射流向上抬高的作用。2.3.2底空腔長度的計算目前有各種計算空腔長度的計算公式， 但適用于突擴突跌摻氣設(shè)施底空腔長度 計算的公式很少， 能反映折流器對空腔長度影響的計算公式更是罕見， 本文擬在這 方面作一探討。將坐標(biāo)原點放在跌坎通常計算底空腔長度以拋射體理論作為重要的理論依據(jù)。末端，水平下游方向為 x 軸正向， y 軸垂直向下，則有a3為射流實際拋射角向下為正； u 為坎上

10、式中：Lb為底空腔長度；yo為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長線交點底距離; 為下游明槽與水平面的夾角，向下為正； 水流平均流速。Lb與實測的Lb有較大的出入，因此必須進(jìn)行3直接把有壓洞出口頂板壓坡角0當(dāng)作3；3,但未考慮跌坎挑角0的影響，用式（ 6）計算出的底空腔長度修正。對于B的選擇各有不同，文獻(xiàn)文獻(xiàn)4考慮0 1的同時引入最大橫向脈動流速計算計算誤差較大；文獻(xiàn)考慮了挑角 0但未考慮0 1的影響。在壓力洞出口與跌坎的 水平距離較短的條件下，應(yīng)同時考慮0和0的影響。本文對 B作如下的假設(shè)：確切地說， 底空腔的摻氣量是與有效空腔長度有關(guān)， 絕大部分摻氣是在有效空腔內(nèi)實現(xiàn)的。因此有效空腔長度的估算，對一

11、個摻氣設(shè)施來說更有意義。3），y2,則:取坎頂平均流Pea （米水柱）假設(shè)沖擊速度等于坎頂平均流速，將坐標(biāo)原點設(shè)在挑坎末端，則由式4），（ 10）得射流與明槽底板的沖擊角為Y =arctan(tan 3 +g'b/Lcos2 3 - a (11)設(shè)底空腔末端坐標(biāo)為 yl，漩滾回水面與水舌底緣相交點的坐標(biāo)為yb=y 1-y2. (12 )Y,yb 一般與水舌厚度（可取為孔出口斷面高度 h）,水流速度U 速），水流密度 P,重力加速度g，射流與底板沖擊角 Y,空腔負(fù)壓 有關(guān)。應(yīng)用因次分析和試驗結(jié)果得：在不同庫水位條件下， 6個方案按式（ 15）計算結(jié)果，計算值和試驗量測值對 比。3 結(jié)語為

12、保持穩(wěn)定的側(cè)空腔與底空腔。 折流器的高度和坡度對空腔長度均有影響， 采 用較高的折流器， 能有效地增加底空腔和側(cè)空腔長度。 不僅如此， 試驗觀測也證明，加設(shè)折流器能使底空腔和側(cè)空腔連通，使側(cè)空腔成為底空腔有效的通氣通道，保證底空腔的充分摻氣。值得注意的是，當(dāng)折流器高度小于孔口高度一半時，孔口出流與突擴側(cè)墻的沖擊夾角變大，產(chǎn)生一般斜角向下的逆向水射流，直接沖擊弧形止水道， 這是低折流器方案的弊端。由于回溯水流的影響，底空腔長度變短，直接影響摻氣減蝕效果。正確區(qū)分和 計算空腔長度和有效空腔長度是評價一個摻氣方案的關(guān)鍵。本文根據(jù)底板最大時均1）、壓力來判斷兩種空腔長度的經(jīng)驗關(guān)系式（1）、 （ 2）,可供參考。特別是考慮了頂壓坡角、跌坎挑角和折流器體型等綜合因素影響得出的計算空腔長度式（10）、（ 15），有實際應(yīng)用和理論意義?？嘉墨I(xiàn):12潘水波。通氣挑坎射流的摻氣能力J.水利學(xué)報，1980， （ 5）：25-27.時啟燧。通氣減蝕挑坎水力學(xué)問題的試驗研究J.水利學(xué)報，1984，（ 3） 33-34.長委設(shè)計院樞紐處。三峽工程泄洪深孔突擴突跌式摻氣設(shè)施研究成果3武漢：長江水