摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速特性.docx

1、西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)JournalofXi'anUniversityofTechnology（2002）Vol.18No.171文章埔號(hào)，1006-47102002JO1-UO71-O5摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速特性'鄭阿漫】，張志昌、楊永全'劉亞菲、戴光晴2（1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安71S48.2.四川大學(xué)）摘要：通過模型試驗(yàn),研究了摻氣分流嫩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速特性。結(jié)果表明：此種消能工能改善臺(tái)階式溢洪蘊(yùn)的水流流態(tài)，大幅度地減小水流流速。在試驗(yàn)范國(guó)內(nèi).摻氣分流域臺(tái)階式溢洪道的流速皎相應(yīng)光滑溢洪道減小了18.4%68.3%,較相應(yīng)的臺(tái)階式

2、溢洪道降低,了6.9%54.0料,關(guān)鍵詞：摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道；水流流態(tài)；流速中圖分類號(hào)：TVU1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AWaterFlowRegimeandFlowVelocityBehaviorsinSteppedSpillwayswithAeratedPiersZHENGA-manLZHANGZhi-chang：.YANGYong-quan'.LIUYa-fei1,DA1Guang-qing:1.Xi'anUniversityofTechnology.Xi'an710048.China】2.SichuanUniversity）Abstract：Waterflowregim

3、eandflowvelocitybehaviorsinsteppedspillwayswithaeratedpiersarestudiedviathemodeltests.Theresultsindicatethatthiskindofenergydissipationfunctioncanimprovethewaterflowregimeinthesteppedspillwaysandreducetheflowvelocitybyawidemargin.Withintherangeo（modeltests,theflowvelocityinthesteppedspillwayswithaer

4、atedpierswasreducedby18.4%68.3%incomparisonwiththatinthecorrespondingsmoothspillwaysandby6.9%54.0%incontrastwiththatinthecorrespondingsteppedspillways.Keywordststeppedspillwayswithaeratedpiers；waterflowregime；flowvelocityRCC筑壩技術(shù)的進(jìn)步，使得消能效果顯著的臺(tái)階式溢洪道倍受工程界的阪目.文獻(xiàn)口的研究表明，此種淺洪道可縮短10%30虻的消力池長(zhǎng)度節(jié)省5%10%的工程投資，所需

5、的消力池長(zhǎng)度僅為傳統(tǒng)高壩消力池長(zhǎng)度的50%,然而，當(dāng)流置達(dá)到一定的界限時(shí)，臺(tái)階式溢洪道已不摻氣，臺(tái)階完全淹沒在清澈透明的水體中，變?yōu)槊逼鋵?shí)的大粗糙度，且在臺(tái)階水平段和豎直段確實(shí)存在負(fù)壓。因此,在臺(tái)階式滋洪道上增設(shè)摻氣消能設(shè)施，在摻氣的同時(shí)增進(jìn)消能效果是必要的。摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道是將摻氣消能效果良好的摻氣分流墩用于臺(tái)階式溢洪道，這樣既可以增大臺(tái)階式溢洪道水流的摻氣濃度，又可以增加臺(tái)階式淡洪道的消能效果。本文論述了摻氣分流嫩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速特性，從而證明摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的確有增加摻氣和消能的功效。1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图八l件試多模型由上游水庫(kù)、WES曲線堰、光滑斜坡段、臺(tái)階段和矩形

6、水槽組成。溢流堰堰面曲線方程收稿日期：2001-04-10基金項(xiàng)目；四川大學(xué)高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（9911）.作者簡(jiǎn)介I軍阿漫（1974-）,女，西安浬工大學(xué)碩士生，現(xiàn)在北京防化工程學(xué)院。72西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)<2002)第18卷第1期為y/fc=0.5(z/c)f，設(shè)計(jì)水頭H,=20cm,溢洪道寬25cm,光滑段長(zhǎng)145cm,臺(tái)階段由14級(jí)高5cm的臺(tái)階組成，末端由與溢洪道等寬的矩形水情相連，試驗(yàn)中，臺(tái)階式溢洪道坡度為30。和51.3°,在距光滑斜坡段首端42cm處設(shè)摻氣分流墩，其布置如圖1所示。圖2為摻氣分流墩體型的尺寸圖，該體形是根據(jù)文獻(xiàn)4提出的摻氣分流墩體型設(shè)

7、計(jì)的°30。的溢洪道上摻氣分流嫩的收縮比為0.5,而51.3°的溢洪道上摻氣分流墩的收縮比則為0.2。圖2軫氣分流垠體型尺寸圖試驗(yàn)時(shí)，流量范圍在5.2-73.74L/s之間.相應(yīng)溢流堰上游進(jìn)口水頭為528cm。未設(shè)摻氣分流墩時(shí)，擬設(shè)墩處的佛氏»Frc=2.413.48；設(shè)墩后由于該處水深增大，/>=1.481.85°為了了解臺(tái)階式溢洪道的減速消能特性，觀測(cè)了不同來(lái)流情況下棒氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和光滑斜坡段始、末端，距斜坡始端50cm處及1、6、9、12、14臺(tái)階中線和收縮斷面不同位置處的流速.2流態(tài)描述2.1未設(shè)摻氣分流墩時(shí)的水流流態(tài)未設(shè)

8、摻氣分波墩時(shí)，由溢流堰出來(lái)的水流,先流經(jīng)臺(tái)階段以前的光滑斜坡段，其水流流態(tài)為典型的光滑陡坡溢流流態(tài)；水流進(jìn)入臺(tái)階段后，隨著流域的變化呈現(xiàn)出跌落水流和滑行水流兩種不同的水流流態(tài)，如圖3所示。那阿漫等：摻氣分流敏臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)和流速待性圖3臺(tái)階段的水流流態(tài)圖4摻氣分流墩水流流態(tài)由圖3可以看出：小流量時(shí)出現(xiàn)自由表面不連續(xù)的跌落水流，其水流流態(tài)象溢流小跌水一樣，由上一級(jí)臺(tái)階跌入相鄰的下一級(jí)臺(tái)階.在跌落過程中摻入了大械空氣。試驗(yàn)中由于臺(tái)階的長(zhǎng)度短,來(lái)流最小，出現(xiàn)的為不完全水躍的跌落流態(tài)隨著流量的增大，跌落水流向滑行水流過渡flEsscryandHorner認(rèn)為.當(dāng)dc/h,>Q,8時(shí)為滑行

9、水流，而當(dāng)djhx<0.8時(shí)則可能出現(xiàn)跌落水流。而文獻(xiàn)5則提出&/如大于下式確定的臨界值時(shí)將出現(xiàn)滑行水流，am=1.057-0.465知/<1)試驗(yàn)在30。臺(tái)階式溢洪道上，當(dāng)dt/h,=0.7069(H。=5cm)時(shí)觀察到跌落水流.在g20.0224m7<s-m)UJht0.7427)時(shí)為滑行水流。而在51.3。的臺(tái)階式溢洪道上出現(xiàn)滑行水流的下限為7=0.0115m3/(s-m)(/知=0.4762)?；兴鲿r(shí)，水流被臺(tái)階外緣連線形成的虛擬面分為上、下兩個(gè)區(qū)域。在虛擬面以上.具有連續(xù)表面的水流呈恒定流流過臺(tái)階表面；而在虛擬面以下主流與臺(tái)階形成的三角形空間內(nèi)則為旋滾水

10、流。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在一定坡度的臺(tái)階式溢洪道上，臺(tái)階段水流的摻氣程度隨單寬流量的增大而減小.小流量時(shí)，水流沿臺(tái)階面有較大的揍氣，水流呈白色水氣狀流向下游，在臺(tái)階的三角形區(qū)域內(nèi)有明顯的氣泡；隨著流量的增大,水流的拶氣14減小,當(dāng)流量大到某一定值時(shí)(本試驗(yàn)中<20.2544m3/<s-m),水流幾乎不摻氣.即使在三角形的漩滾區(qū)亦看不見明顯的氣泡。因此,以往文獻(xiàn)提出的滑行水流是以大量摻氣為特征的說法應(yīng)該考慮到坡度及流量的范圍，超過一定的界限，水流已不摻氣。2.2摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的水流流態(tài)關(guān)于摻氣分流域的水流流態(tài)文獻(xiàn)2,4已有詳細(xì)的介紹，這里只介紹摻氣分流墩臺(tái)階式淺洪道臺(tái)階段的水流流態(tài)。圖4

11、為摻氣分流墩水流流態(tài)。由摻氣分流墩射出的水流落入溢洪道臺(tái)階段時(shí)，既有分流墩底坎的挑射水流，也有受摻氣分流域及側(cè)墻挑坎彩響的充分?jǐn)U散摻氣水流。前者挑射水流落入光滑斜坡段時(shí)變成急劇下泄的咕壁流，后者則以不同的拋射角射向臺(tái)階式溢洪道。由于摻氣分流墩本身具有充分?jǐn)U散、摻氣的特征，挑流水舌落入臺(tái)階段時(shí)挾帶了大量的空氣.而水流與溢洪道碰撞時(shí)亦混摻、反彈，在此過程中又卷入了空氣，這使得摻氣分流域臺(tái)階式溢洪道上水流的摻氣程度遠(yuǎn)大于相應(yīng)單純的臺(tái)階式溢洪道，另外,摻氣分流墩的擴(kuò)散水流落入臺(tái)階段后，當(dāng)流缺和坡度較小時(shí)，落點(diǎn)水流并不以滑行水流出現(xiàn)，而是先為跌落水流、然后逐漸過渡到滑行水流；隨著流域的增大.過渡段縮短，

12、到達(dá)某一流量時(shí)(試驗(yàn)中7>0.2544m'/(sm)過渡段消失，臺(tái)階段宣接以滑行水流出現(xiàn)；而坡度較大時(shí)，挑射水流很快過渡到滑行水流。2.3臺(tái)階式溢洪道與掙氣分流墩臺(tái)階式溢洪道流態(tài)的比較臺(tái)階式溢洪道和摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道水流流態(tài)比較見表1。表中還列舉了文獻(xiàn)5的計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯觯瑩綒夥至饔蚺_(tái)階式溢洪道出現(xiàn)滑行水流的流量比單純的臺(tái)階式溢洪道上的流械要大。值得-提的是，摻氣分流墩臺(tái)階式法洪道在一定的流M：范圍內(nèi)可能出現(xiàn)兩種琉態(tài)，即在某幾級(jí)臺(tái)階上是一種流態(tài)，而在其余幾級(jí)臺(tái)階上則是另一種流態(tài)，74西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)2002)笫18卷等I期表】臺(tái)階式海洪道與摻氣分海墩臺(tái)階式溢洪道水流流態(tài)比較

13、實(shí)驗(yàn)參致滑行水源的djh,下板理論流態(tài)實(shí)際流態(tài)坡度/,)Q/（L/s）djh、文獻(xiàn)5Essery無(wú)分流域有分流墩收縮比12.901.3u。.？90.8滑行滑行9臺(tái)階以上跌落水流0.529.823.260.790.8滑行滑行7臺(tái)階以上趺落水旅0.53D46.763.U60.790.8m行滑行3臺(tái)階以上跌落水流0.563.603.750.790.8帶行滑行滑行u.513.744.140390.8滑行滑行滑行0.S12.901.300.480.8滑行滑行臺(tái)階段始端有跌落0.2r1o29.822.260.48U.8滑行沿行W行0.246.763.D60.480.8滑行倒行滑行0.263.603.750

14、.480.8滑行滑行m行0.23摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的流速特性3.1臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階段流速特性V/(m's)'b'H：=J5cm時(shí)臺(tái)盼6忙成藏潮血角=20ccn時(shí)臺(tái)盼】更滋速眇而分倍圖5、6分別是未設(shè)摻氣分流墩時(shí)臺(tái)階式溢洪道流速斷面分布及沿程變化。由圖可以看出：任一斷面處的流速分布是底部小、上部大，但由于表面張力的影響在水流表面有減小的趨勢(shì)；同一測(cè)置斷面處，流速隨上游來(lái)流量的增大而增大。光滑斜坡段流速沿程增大，臺(tái)階段流速在初始摻氣點(diǎn)以前沿程增大，在初始攙氣點(diǎn)以后沿程減小。員然在流,較大時(shí)臺(tái)階上已為不摻氣水流，但由于臺(tái)階的摩阻作用，臺(tái)階段的流速仍有減小趨勢(shì)，但隨著流量的

15、增大流速減小的趨勢(shì)有所減緩(見圖6b、c)。圖5臺(tái)階式溢洪道斷面流速分布實(shí)際上，滑行水流時(shí)，臺(tái)階式溶洪道利用臺(tái)階形成均勻粗.糙面,在減小沿臺(tái)階而下的水流流速的同時(shí)也誠(chéng)小了高速水流的巨大動(dòng)能，起到了消能減速作用。Xtl.H,20cm時(shí)臺(tái)階式溢濯遭流速沿耍變化xil.<b)H,-35cm時(shí)臺(tái)階式織洪埴於速沿程變化<cW.«28cm時(shí)旨階式溢洪道流II沿程變化圖6臺(tái)階式溢洪道族速沿程變化32摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階段流速特性加摻氣分流墩后，臺(tái)階段的水流劇和摻氣，流速用畢托管無(wú)法測(cè)量，實(shí)驗(yàn)僅測(cè)箱坡度為30。的摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階內(nèi)的實(shí)體水深，從而得到棒氣分流墩臺(tái)階式溢洪道

16、臺(tái)階段的平均流速。圖7是不同形式的溢洪道流速沿程變化比較.其中.嘰、匕分別是根據(jù)實(shí)測(cè)的實(shí)體水深求得的臺(tái)階式溢洪道及摻氣分流維臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階段不同斷而處的平均流速；Ug是臺(tái)階式溢洪道斷面處實(shí)測(cè)的最大流速；虬是根據(jù)光滑溢洪道水面線求得的平均流速，部阿it等：擂氣分渡墩臺(tái)階式淺洪道的水流流態(tài)和施謾特性7。由圖7訶以看出：臺(tái)階段流速減小的程度沿程增大，即流速的減小是逐級(jí)臺(tái)階的累積效應(yīng)，這與消能效果隨臺(tái)階階數(shù)而增大的研究成果相一致；臺(tái)階段減小流速的作用隨流.后的增大而減弱在試驗(yàn)范圍內(nèi)，臺(tái)階式溶洪道臺(tái)階段的流速較相應(yīng)光滑溢洪道減小了9.4%64.9%;摻氣分流墩的使用進(jìn)一步增大了臺(tái)階段的誠(chéng)速作用，摻氣分

17、流墩臺(tái)階式溢洪道的流速較相應(yīng)光滑溢洪道戒小了18.4%68.3%,較相應(yīng)的臺(tái)階式溢洪道降低了6.9%54.0%。(a>H"=20cm時(shí)同形式企產(chǎn)道波速比”,b，H，-25.m時(shí)不同形式祖供謁旅速比&圖7不同形式的溢洪道流速沿程變化也較由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道可以大幅度的降低單純臺(tái)階式溢洪道的流速，因而有較強(qiáng)的消能減速作用。4結(jié)語(yǔ)本文通過模型試驗(yàn)，研究坡度為30。和51.3-的臺(tái)階式溢洪道設(shè)墩前后水流流態(tài)和30°摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的流速特性,結(jié)果表明：U)未設(shè)摻氣分流墩時(shí).由溢流堰出來(lái)的水流流經(jīng)臺(tái)階段以前的光滑斜坡段時(shí).水流流態(tài)為光滑陡

18、坡溢流流態(tài)；水流進(jìn)入臺(tái)階段后，隨著流斌的變化呈現(xiàn)出跌落水流和滑行水流兩種不同的水流流態(tài)C(2) 設(shè)墩后，落人咨洪道臺(tái)階段的水流有分流傲底坎的挑射水流,也有受摻氣分流墩及側(cè)墻挑坎影響的充分?jǐn)U散摻氣水流。由于摻氣分流歌水流本身具有充分?jǐn)U散、摻氣的待征，挑流水舌落入臺(tái)階段時(shí)挾帶了大黃的空氣.而水流與溢洪道碰撞時(shí)亦混摻、反彈，在此過程中又卷入了空氣.這使得摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道上水流的摻氣程度遠(yuǎn)大于相應(yīng)單純的臺(tái)階式溢洪道。(3) 設(shè)墩前、臺(tái)階式溢洪道在同一測(cè)揪斷面處，流速隨來(lái)流的增大而增大.流速沿程變化規(guī)律是初始摻氣點(diǎn)以前水流流速沿程堵大，初始摻氣點(diǎn)以后沿程威??；流域較大時(shí)，臺(tái)階式滋洪道仍有一定的減速消能效果，這是光滑溢洪道無(wú)法比擬的。(4) 設(shè)墩前后，流速的減小是逐級(jí)臺(tái)階的累積效應(yīng)，但臺(tái)階段減小流速的作用隨來(lái)流信的增大而減弱.在試驗(yàn)范圍內(nèi),臺(tái)階式溢洪道臺(tái)階段的流速較相應(yīng)光滑溢洪道誠(chéng)小了9.4%64.9%；摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道的流速較相應(yīng)光滑溢洪道減小了18.4%68.35較相應(yīng)的臺(tái)階式溢洪道降低了6.9%54.0%,可見摻氣分流墩臺(tái)階式溢洪道有更好的消能減速作用。參考文獻(xiàn)：1 Peyras.Flowandenergydissipationoversteppedgabionw