灣塘水電站泄流霧化的數(shù)值計(jì)算

1、灣塘水電站泄流霧化的數(shù)值計(jì)算(1)    摘要：根據(jù)底流消能泄流霧化的機(jī)理，應(yīng)用量綱分析方法，得到水霧霧源量的計(jì)算關(guān)系式；在霧源為連續(xù)線源和任意風(fēng)向的條件下，利用高斯擴(kuò)散方程，研究了水霧在峽谷內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律；結(jié)合霧雨自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程、碰并過程、霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)過程，得到霧源下游流場(chǎng)水霧濃度、溫度、相對(duì)濕度和降水強(qiáng)度的分布；對(duì)灣塘水電站底流消能霧化進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。 關(guān)鍵詞：底流消能 霧化 數(shù)值計(jì)算 水電站采用不同的泄流消能方式，對(duì)水霧的產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)及霧量多寡，存在較大的差異。對(duì)于挑流消能工程，泄流霧化會(huì)造成以下危害：廠房進(jìn)水、斷電

2、、交通中斷和邊坡失穩(wěn)。自20世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)挑流霧化問題進(jìn)行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果；但對(duì)于底流消能工程，其泄流霧化問題很少研究。本文就灣塘水電站底流消能霧化的數(shù)計(jì)算作一探討。1 底流消能霧化的數(shù)學(xué)模型1洪水在下泄和消能過程中，由于水流與空氣邊界的相互作用，使得水流自由面失穩(wěn)和水流紊動(dòng)加劇2，進(jìn)而部分水體以微小水滴的形式進(jìn)入空氣中，產(chǎn)生某種形式的霧源。霧源在自然風(fēng)和水舌風(fēng)的綜合作用下，向下游擴(kuò)散，使水霧分布在下游的一定空間中。之后，水霧經(jīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程和碰并過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛甑?，以及水霧和水汽之間發(fā)生霧滴的蒸發(fā)或凝結(jié)過程。如圖1所示，因雨滴數(shù)較霧滴少得多，故在本數(shù)學(xué)模型中不考

3、慮雨滴的蒸發(fā)過程和水汽凝結(jié)為雨滴的過程，在圖1中用帶虛線箭頭來表示。1.1 水霧霧源量的計(jì)算 根據(jù)霧源產(chǎn)生的機(jī)理不同，底流消能霧化的霧源可分為二個(gè)；第一是溢流壩面自摻氣而產(chǎn)生霧源；第二是水躍區(qū)強(qiáng)迫摻氣而 產(chǎn)生霧源。理論分析3和原型觀測(cè)4都表明，后者為主要霧源，故在本數(shù)學(xué)模型中僅考慮第二霧源，而不計(jì)第一霧源對(duì)下游的影響。如圖2所示，高速水流流經(jīng)水躍區(qū)發(fā)生強(qiáng)迫摻氣，其中躍首處旋渦最強(qiáng)，可以認(rèn)為摻氣點(diǎn)發(fā)生在此處，從而形成水氣兩相流。被旋渦挾持進(jìn)水中的空氣形成氣泡，氣泡在水中隨著旋渦運(yùn)動(dòng)，有的氣泡脫離自由面的束縛以水滴、水霧的形式躍出水面，從而形成霧源5。根據(jù)底流消能6的霧化機(jī)理，得到下式：式中：ql

4、為單位長(zhǎng)度線源的水霧霧源量，kg/(s·m)；為水的密度；Lj為水躍的長(zhǎng)度，Lj=10.8hc(Fr1-1)0.93，hc為躍首處的水深；vc為躍首處的流速；q為單寬流量，m2/s·m；u2為躍首處的脈動(dòng)速度均方根；uw為自然風(fēng)和水舌風(fēng)的合成風(fēng)速。選取、Lj、vc為基本物理量，令qe=Ljvc，利用量綱分析方法式(2)可得：根據(jù)灣塘水電站霧化原型觀測(cè)的數(shù)據(jù)4，應(yīng)用逐步回歸分析方法7，試建立式(3)的回歸模型：以ql/qe為因變量，以Fr1、Nt1和uw/vc作為可能的自變量，計(jì)算表明，在顯著性水平為0.05，F(xiàn)r1、Nt1和uwvc這三個(gè)量對(duì)因變量qlqe的影響都不顯著；以

5、ql為因變量 ，以qe作為可能的自變量，在顯著性水平為0.05，qe對(duì)因變量ql的影響顯著。故對(duì)ql和qe作線性回歸，求得：1.2 水霧擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型式中：y為水霧在y方向的濃度分布方差；z為水霧在z方向的濃度分布方差；h為水霧線源的高度，h=(051)(hc-hc)，hc為hc的共軛水深。y1為水霧線源起點(diǎn)y坐標(biāo)；y2為水霧線源終點(diǎn)y坐標(biāo)；為下墊面的反射系數(shù)?？紤]到峽谷內(nèi)盛行山谷風(fēng)，并且其風(fēng)向變化不大。故擴(kuò)散參數(shù)選用布魯克海紋擴(kuò)散(BNL)參數(shù)系統(tǒng)(陣風(fēng)度等級(jí)為D)：1.3 霧滴、雨滴和水汽之間的相互轉(zhuǎn)換過程式中：Erc為雨滴對(duì)霧滴的碰并效率，qc為單位質(zhì)量空氣中水霧的質(zhì)量(kg/(空氣kg

6、)，qr為單位質(zhì)量空氣中雨滴的質(zhì)量(kg/(空氣kg)。假定未發(fā)生泄流時(shí)，空氣的溫度和水汽比濕分別為T1和q1，若凝結(jié)量等于x時(shí)空氣達(dá)到飽和，此時(shí)，空氣的溫度和水汽比濕分別達(dá)到T和q，存在以下關(guān)系式：x>0，表示在過飽和空氣中，空氣發(fā)生凝結(jié)，x為空氣達(dá)到飽和的所凝結(jié)的水汽量；x<0，表示在不飽和空氣中，空氣發(fā)生蒸發(fā)，|x|為空氣達(dá)到飽和的所蒸發(fā)的水汽量。當(dāng)qc<|x|時(shí)，蒸發(fā)量就等于qc，即霧滴全部蒸發(fā)完，空氣尚處于未飽和狀態(tài)。所以凝結(jié)量為： 本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用

7、，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系我們。    2 灣塘水電站消能霧化的數(shù)值計(jì)算2.1 灣塘水電站霧化原型觀測(cè)工況 觀測(cè)工況情況見表1。2.2 灣塘水電站氣象條件 灣塘水電站未泄流的氣象條件 ，如表2所示。表中風(fēng)向：0°和360°表示正北；90°表示正東；180°表示正南；270°表示正西。2.3 灣塘水電站泄流霧化數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果2.4 灣塘水電站霧化參數(shù)的計(jì)算值和原觀值 3 結(jié)論通過本文的研究，得到以下結(jié)果：(1)應(yīng)用量綱分析方法，得到底流泄流霧化的霧源量計(jì)算關(guān)系式，計(jì)算過程簡(jiǎn)單、計(jì)算結(jié)果可靠；(2)建立了底流泄流霧化的數(shù)學(xué)模型，能計(jì)算霧源下游流場(chǎng)水霧濃度、溫度、相對(duì)濕度和降水強(qiáng)度