水舌撞擊尾水濺水分布的試驗(yàn)研究

水舌撞擊尾水濺水分布的試驗(yàn)研究

1評價噴噴實(shí)驗(yàn)研究由于浪費(fèi)率的數(shù)值模擬是研究洪水霧耗的重要技術(shù)問題之一，中國科學(xué)家對瀑布值模型進(jìn)行了研究并建立了許多隨機(jī)瀑布值模型[1.6]。上述模型若用于濺水區(qū)降雨強(qiáng)度的計算,還需要進(jìn)行水舌入水噴濺的物理模型試驗(yàn)與原型觀測驗(yàn)證。國外對于霧化與噴濺的實(shí)驗(yàn)研究主要分兩類,一類是粒子的噴射及其與固壁間的相互作用[7~9],另一類是粒子與其它介質(zhì)表面碰撞產(chǎn)生的濺射運(yùn)動[10~13],但對于大量水滴的入水導(dǎo)致的激濺問題,鮮有相關(guān)的研究報道。相對而言,國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究已有較大的進(jìn)展[14~17]。盡管如此,對于濺水引起的降雨強(qiáng)度空間分布,尚缺乏專門的試驗(yàn)與計算驗(yàn)證。同時,隨機(jī)噴濺計算模型中還包含一個重要的假定,即隨機(jī)噴射條件諸如出射粒徑、出射角度、出射速度等隨機(jī)變量,均符合伽瑪函數(shù)分布,對此需進(jìn)一步論證。本文通過物理模型試驗(yàn),對摻氣水舌入水激濺現(xiàn)象進(jìn)行模擬,采用稱重法得到濺水降雨強(qiáng)度的平面分布規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上,對隨機(jī)濺水模型進(jìn)行計算驗(yàn)證。2模型設(shè)計與實(shí)驗(yàn)過程2.1水舌挑距表面粗糙度為0試驗(yàn)結(jié)合雙江口水電站洞式溢洪道水工模型,對出口下游的水舌入水激濺進(jìn)行研究。其中挑坎體型分為兩種:一種是水平等寬坎,寬度為35.55cm,挑角為0°,另一種是斜切擴(kuò)散坎,左右兩側(cè)的擴(kuò)散角分別為5.886°與7.986°,挑角分別為-0.029°與0.0157°,兩者的底弧半徑均為178cm;挑坎出口距離下游水面的高差1.6m,水舌挑距在3.7m~4.3m。在入水點(diǎn)下游,布置有霧化降雨測點(diǎn)(網(wǎng)格交叉點(diǎn)),具體布置參見圖1。試驗(yàn)過程中,每個節(jié)點(diǎn)上均放置有集水盒,通過記錄盒內(nèi)集水重量、口徑與采集時間,可得到各點(diǎn)處的降雨強(qiáng)度。2.2降雨強(qiáng)度縱向分布試驗(yàn)工況共8組,具體參數(shù)見表1。其中,工況1~4主要針對等寬挑坎,對下游濺水降雨強(qiáng)度的縱向分布進(jìn)行測量;工況5~8則針對擴(kuò)散水舌,對濺水降雨強(qiáng)度的平面分布進(jìn)行測量。2.3水舌入水相對位置的測量試驗(yàn)的主要測試設(shè)備包括:電子稱,最大量程2000g,精度0.01g;電子秒表,最長歷時99h,精度0.01s;便攜式畢托管,配有壓差傳感器與采集系統(tǒng),最大流速量程10m/s;熱球式電子風(fēng)速儀,最小讀數(shù)為0.01m/s,最大量程為30m/s;鋁合金尺,最大長度6m,用于確定水舌入水的相對位置;圓形測試盒,直徑7.3cm~7.9cm,高度3cm~4cm,測量前對每個測試盒進(jìn)行編號、稱重,并記錄其內(nèi)緣直徑。試驗(yàn)的基本步驟如下:(1)通過控制上、下游水位得到穩(wěn)定的水舌入水條件,采用壓差畢托管得到挑坎出口的流速分布,實(shí)測確定水舌入水前緣的位置與形態(tài),采用量水堰確定水舌的入水流量,記錄集水平面相對于下游水面的高度,計算得到入水流速與入水角度。(2)在水舌入水形態(tài)與下游水位不變的條件下,自濺水區(qū)的下游遠(yuǎn)區(qū)邊界開始,由遠(yuǎn)及近,逐點(diǎn)放置測試盒,同時記錄每個測試盒的位置、編號與初始時間。(3)放置完成后,根據(jù)不同區(qū)域測試盒的集水強(qiáng)度,由強(qiáng)到弱逐一回收,同時記錄測試盒的編號、終止時間與總重量。(4)根據(jù)每個測試盒的平面位置、凈重、集水后重量、內(nèi)緣直徑、前后集水時間等因子,可以計算得到測試平面上各點(diǎn)的降雨強(qiáng)度值,并繪制出降雨強(qiáng)度等值線圖。3分散試驗(yàn)的結(jié)果3.1擴(kuò)散坎體型的影響研究表明,挑坎型式、流量以及水舌入水寬度等因素對下游濺水分布有明顯的影響。圖2為兩種體型下的濺水降雨強(qiáng)度縱向分布。溢洪道出口挑坎采用擴(kuò)散體型后,較之等寬坎體型,中心線上降雨強(qiáng)度均有所增大。圖3為上述工況下,0+237cm與0+385cm樁號處的降雨強(qiáng)度橫向分布,采用擴(kuò)散坎體型后,濺水區(qū)的橫向?qū)挾仍龃?但基本符合正態(tài)分布。分析表明,采用擴(kuò)散挑坎將增大水舌的入水寬度,使得濺水源區(qū)的橫向范圍擴(kuò)大,同時各個源區(qū)的濺水相互疊加,使得濺水強(qiáng)度呈中間大兩側(cè)小的分布形態(tài),基本符合正態(tài)分布,隨著流量的增大,濺水強(qiáng)度與范圍均有所增大。3.2試驗(yàn)結(jié)果分析文獻(xiàn)中通過物理模型試驗(yàn),指出濺水降雨強(qiáng)度的縱向分布應(yīng)符合如下規(guī)律:其中:x為縱向距離(cm),mP為降雨強(qiáng)度峰值(mm/h),mL為濺水區(qū)縱向長度(cm),1C、a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。表2為工況1~4下濺水強(qiáng)度縱向分布試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)擬合,上式中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別為1C=30,a=1,b=11。上述規(guī)律表明,隨機(jī)濺水模型中采用相關(guān)的伽瑪函數(shù)假定具有一定的合理性。3.3風(fēng)場作用下的下球環(huán)境圖4為工況5沿中心線距離水面0~1.0m高度范圍的平均風(fēng)速,鑒于室內(nèi)基本無風(fēng),該風(fēng)速場主要由水舌入水激濺所形成,觀察表明濺水水滴在風(fēng)場作用下會漂移得更遠(yuǎn)。圖5為下游測試平面上濺水強(qiáng)度等值線分布圖,在風(fēng)場作用下降雨區(qū)由近及遠(yuǎn)逐漸被拉伸,在平面上呈三角形分布。由此可見,在對濺水現(xiàn)象的隨機(jī)模擬中,風(fēng)場對于水滴的拖曳作用不可忽略。4數(shù)值計算模型本文針對隨機(jī)濺水模型中噴濺時均量的求解、噴射時間與空間的離散方法、以及復(fù)雜風(fēng)速場的影響等問題進(jìn)行了研究改進(jìn),并開發(fā)出數(shù)值計算模型。該模型通過調(diào)用通用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模塊與關(guān)系矩陣,在每一個時間步長內(nèi),根據(jù)水滴的空間位置判別當(dāng)?shù)仫L(fēng)速,然后再行求解動力學(xué)方程,很好地解決了復(fù)雜風(fēng)場對飛行水滴的作用問題,上述計算體理論將另文闡述。在此基礎(chǔ)上,針對試驗(yàn)工況5與工況8,進(jìn)行水舌風(fēng)作用下的濺水模擬計算。4.1水舌入射偏移角公式對于水滴出射條件采用如下隨機(jī)假定:(1)水滴直徑滿足伽瑪分布:(2)水滴出射角θ0服從如下伽瑪分布:式中:系數(shù)c=2,系數(shù)d=tanθ,θ為出射角的重值,該值由水舌入射條件求得。(3)水滴出射偏移角φ滿足正態(tài)分布:式中:μ與σ分別為偏移角重值與均方差。一般地,μ取水舌入水偏轉(zhuǎn)角,σ=15o。(4)水滴初始拋射速度u:水滴出射速度u均采用式(2)所示的伽瑪分布,并取系數(shù)a=4,λ=0.25u,u為u的重值,亦由水舌入射條件求得。4.2水舌風(fēng)場密度及入射速率根據(jù)試驗(yàn)測量結(jié)果,水舌入水形態(tài)如圖6,計算中將其入水前緣分為10段,每段長度均為0.175m,具體入射參數(shù)見表3。限于試驗(yàn)條件,無法獲得完整的三維風(fēng)場。計算中,水舌風(fēng)場根據(jù)典型斷面的實(shí)測風(fēng)速,概化為正態(tài)分布其中:σ=0.4m,y為橫向坐標(biāo),x為縱向距離,F(x)為中心線上實(shí)測平均風(fēng)速。計算網(wǎng)格尺寸10cm;計算時間T=25s,計算步長dt=0.125s。4.3隨機(jī)大積分布風(fēng)場圖7與圖8為隨機(jī)濺水模型計算成果與物理實(shí)驗(yàn)成果的對比。結(jié)果分析表明,采用合理的水滴譜與出射假定,隨機(jī)濺水模型可以較好地模擬濺水現(xiàn)象。模型在計算中采用了概化的正態(tài)分布風(fēng)場,其在橫向分布上與實(shí)際風(fēng)場不完全相符,計算結(jié)果略有偏差。對此,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)運(yùn)用大型流體計算軟件,求解全面的三維拖曳風(fēng)場,提高模擬精度。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過物理模型試驗(yàn),針對不同水力條件下的濺水分布進(jìn)行試驗(yàn)研究,并以此對隨機(jī)濺水模型進(jìn)行了改進(jìn)與驗(yàn)證。試驗(yàn)通過采用稱重法,得到了濺水降雨強(qiáng)度的平面分布數(shù)據(jù)。該方法真實(shí)可靠,且靈敏度較高,為今后從事相關(guān)的研究積累了經(jīng)驗(yàn)與手段。試驗(yàn)結(jié)果分析表明,在相同流量條件下,采用擴(kuò)散型挑坎將顯著增大下游濺水規(guī)模;各種工況下,濺水強(qiáng)度的縱向