激光測速試驗中孔板流場特性及內(nèi)緣型式對消能系數(shù)的影響

激光測速試驗中孔板流場特性及內(nèi)緣型式對消能系數(shù)的影響

一、孔板內(nèi)緣流速場試驗黃河小浪底水庫工程首次采用孔板內(nèi)消能排水孔。在這項新項目的基礎上，對中國進行了多方面的研究。其中，對多孔板體對消能系數(shù)和速度分布特性的影響是研究的重要內(nèi)容。本試驗所采用的二維激光測速技術已多次用于孔板流速場的量測,例如孔板泄洪洞流場測試,多級孔板不同間距流場研究,管嘴型流場研究等,量測成果與數(shù)值分析成果規(guī)律性一致,試驗結果穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可信,試驗技術比較成熟。本項研究著重于孔板內(nèi)緣流速場分析,試驗模型分別為?10.3cm圓形有壓管道和10.3cm×3cm矩形有壓管道,后者孔板設于矩形管道斷面上下邊壁上。設置多種內(nèi)緣型式,量測二維時均流速、脈動流速、雷諾切應力等,研究孔板內(nèi)緣型式對流速場的影響,分析消能系數(shù)變化規(guī)律和機理。圓形管道模型由于孔板環(huán)厚度較大,目前的激光技術尚無法使信號穿過,因此以往的試驗都只能觀測孔板之間的流速場分布,而未測得孔板環(huán)內(nèi)流速場情況。采用表現(xiàn)局部孔板的矩形管道模型,可以使激光信號從側壁方向發(fā)射和接收,以便觀測孔板環(huán)內(nèi)分離流發(fā)展過程,從而取得較為完整的孔板流場內(nèi)部信息。為了便于對比,矩形管道模型試驗沿用了柱坐標系統(tǒng),以管道中心線為軸向坐標x,孔板上游端面中心點為原點,垂向中心線稱為徑向坐標y,其他符號規(guī)定如下:ˉuuˉ—軸向時均流速u′—軸向脈動流速ˉvvˉ—徑向時均流速v′—徑向脈動流速ˉuuˉm—流場中最大軸向時均流速w′—切向脈動流速U—管道斷面平均流速U0—孔板孔口平均流速ω—平均角轉速二、孔板內(nèi)緣結構的分區(qū)孔板流場的基本形態(tài)及其時均和紊動特性已有多篇研究報導,如文獻。二維激光測速試驗及數(shù)值分析成果均說明,孔板流動是一個近似軸對稱的分離流動,其流場具有分區(qū)特性,見圖1。從時均意義上可以認為,在水股中心附近存在一個勢流核(圖1中的Ⅰ),角轉速ω=0。該區(qū)從孔口開始,向下游逐漸收縮,至一定距離后消失。勢流核的長度與孔板孔徑收縮比有關。在孔板下游側邊壁附近,存在狹長的回流區(qū)(圖1中的Ⅲ)?；亓鲄^(qū)與主流分界面即為孔板分離流界面,這是一個不穩(wěn)定的躍動面。回流區(qū)末端水流再附區(qū)也在不停的擺動。主流與周圍水體形成不連續(xù)面,在該面上形成一系列旋渦,并產(chǎn)生強烈的紊動。在勢流核與回流區(qū)之間的混合區(qū)包含強剪切層(圖1中的Ⅱ),具有很高的流速梯度、紊動強度和角轉速,是紊動能量的主要產(chǎn)生區(qū)和消耗區(qū),它從孔板內(nèi)緣開始生成,向下游逐漸擴散,直至勢流核的末端,占據(jù)整個管道。其高紊動部分基本位于流體內(nèi)部,邊壁附近和軸線附近的雷諾切應力相對剪切層內(nèi)小2個數(shù)量級,因而構成孔板消能工主要在水流內(nèi)部消能的特點?？装搴罅鲌雠c來流相比,發(fā)生了很大變化(圖1),有以下幾個特點:1.流區(qū)管道直徑計算孔板之后的軸向時均流速分布急劇變化,其斷面動能修正系數(shù)α,來流為1.06,孔板后0.5D處達9.7,至2.5D處α仍有2.0之大,直至4.5D處才與來流相近,達到1.02(D為管道直徑)?；亓鲄^(qū)內(nèi)的負流速其絕對值最高可達最大正流速的1/5左右。徑向、切向時均流速相對較小,一般小于軸向時均流速的10%。斷面動能修正系數(shù)表示如下:α=?sˉu2?ˉu?R?dφ?dR/2gQU2/2gα=?suˉ2?uˉ?R?dφ?dR/2gQU2/2g其中R為徑向坐標,ue001φ為角坐標,s為圓管斷面積,Q為流量。2.孔板流場的動態(tài)實測資料表明,孔板后的最大紊動強度超過來流的6倍,直至4.5D處,仍保持來流的3倍之多。脈動動能與紊動強度密切相關,圖1中實測孔板流場的斷面總脈動動能,在孔板后2D處達最高值,約為來流的27倍,為時均動能的44%。脈動動能的增長和衰減過程正是消能的主要過程,因此孔板具有很高的消能率?？装辶鲌龅母叨炔痪鶆蛐?、高紊動特性是各種孔板的共同特征。多次試驗證實,孔板體形和孔徑比的變化不改變流場的基本形態(tài),僅僅改變流場結構的分區(qū)尺度和不均勻程度以及紊動程度,從而影響消能量值的變化。而內(nèi)緣型式對其影響相當敏感。本次二維激光測速試驗,得出了內(nèi)緣體形對流速場的影響規(guī)律。三、b型試驗與內(nèi)緣頂弧半徑試驗孔板內(nèi)緣型式的參數(shù),主要為內(nèi)緣斜坡坡角和內(nèi)緣小圓弧半徑r,取三種孔板斷面型式進行研究,如圖2所示。其中a型半徑很小,r/D=0.0014,稱為銳緣孔板,內(nèi)緣坡角為30°。以往的試驗多針對這種孔板進行,如圖1。b型將半徑加大,r/D=0.0276,以使流場尺度有明顯的變化,內(nèi)緣坡角亦為30°。c型為平頭,即內(nèi)緣坡角為0,無圓弧。a與b型試驗比較內(nèi)緣頂弧半徑的影響;a與c型試驗比較內(nèi)緣坡角的影響。b、c型測試結果見圖3。三種型式比較,有如下特點:1.孔板的回流區(qū)長度,以b型最短,為1.65D,c型次之,為1.71D,a型最長,為1.87D。2.孔板后流場的斷面動能修正系數(shù)α分布曲線(圖4),a型最高,b型最低,c型居中。斷面平均軸向脈動動能Cu分布曲線(圖5),a與c型接近,b型最低。Cu=?s-u′2?ˉu?R?dφ?dR/2gQU20/2g由此可見,孔板內(nèi)緣型式對水流擾動程度影響很大,當內(nèi)緣較銳時,回流區(qū)很長,水流的紊動強度和脈動動能均較大,而當內(nèi)緣頂弧半徑加大較多時,回流區(qū)縮短很多,紊動程度顯著下降,從而降低能量耗損,減小了消能系數(shù)。當孔板的內(nèi)緣坡度減緩時,對時均流速分布影響較為明顯,而對紊動量值影響不很大。由于試驗采用的孔板較薄,t/D=0.14(t為孔板厚度),因此內(nèi)緣對流場的擾動,主要發(fā)生在前緣,孔板的坡度對流場影響的量值有限。四、環(huán)內(nèi)流場的探測和計算孔板內(nèi)緣型式對流場的影響首先應表現(xiàn)在孔板環(huán)內(nèi)流場的變化,但是由于圓形管道環(huán)狀孔板模型對激光束發(fā)射和接收都有很大影響,難以測得環(huán)內(nèi)的流場。迄今為止,還只有數(shù)值模擬隨體網(wǎng)格方法可以對環(huán)內(nèi)流場進行計算,尚未見到直接的探測資料。本試驗在矩形管道斷面的上下兩邊設置孔板(圖6),由側壁向內(nèi)發(fā)射和接收激光信號,從而可以清楚的了解孔板內(nèi)緣處的流動形態(tài),以便研究內(nèi)緣及其附近體形變化對流動的影響。4.1孔板下游流場分布在圓管模型中已經(jīng)測得內(nèi)緣頂弧半徑加大對流場結構的影響趨勢,本試驗設置四種孔板模型,r/D分別為0.0014、0.0069、0.0207、0.0276,進一步揭示了這一規(guī)律。圖7為軸向時均流速量測結果,各模型水流分離點明顯不同,隨著r/D加大而下移,在孔板內(nèi)緣中部量測斷面上,只有r/D=0.0014、0.0069兩組出現(xiàn)負流速,且前者負值范圍高于后者。在孔板下游端面上,各模型均出現(xiàn)負流速,其負值范圍隨r/D加大而遞減。這些現(xiàn)象說明,銳緣孔板的水流分離點在孔板的前緣頂部,當內(nèi)緣頂弧半徑加大時,分離點下移,r/D=0.0207～0.0276的水流分離點已經(jīng)移至內(nèi)緣的后半部,內(nèi)緣表面的旋渦區(qū)縮小,以至幾乎消失。其次,四組試驗的孔板下游水流再附點也有一定規(guī)律,顯然,隨r/D加大,該點移向上游?；亓鲄^(qū)起點和終點隨r/D加大而相互靠攏,因此,其長度將隨r/D加大而縮短。分析各個模型孔板內(nèi)緣的三個量測斷面上最大軸向時均流速(ˉu/ˉum)max以及最大紊動強度(√-u′2/ˉum)max,可以發(fā)現(xiàn)均已接近或等于管內(nèi)流場最大值。最大紊動強度出現(xiàn)在孔板環(huán)內(nèi)的中斷面和下游斷面,并且環(huán)內(nèi)出現(xiàn)較大的雷諾切應力,說明強剪切層在孔板環(huán)內(nèi)已經(jīng)開始。以r/D=0.0014,β=0.724,a/h=0.6模型試驗為例,列于圖8,圖中腳標im為測量斷面最大值,m為管道流場內(nèi)的最大值,圖中5#、6#、7#孔板環(huán)內(nèi)量測斷面編號分別為孔板環(huán)的上游端面,中斷面和下游端面。徑向時均流速在孔板內(nèi)緣進口附近較大,這是由于水流分離引起的,在管中心線處為零,說明流動基本對稱。4.2脈動應力計算公式為暢通的點,如大小旋轉軸,軸類拓展高效;陸孔板前緣加設貼角后,在貼角段內(nèi)軸向時均流速未出現(xiàn)負值,而在不設貼角的一組模型上(圖7ga/h=0,h為孔板斷面高度,r/D=0.0014,孔板孔徑比β=0.724),在孔板上游角隅測得時均負流速,說明存在角隅旋渦區(qū)。貼角尺寸不同,所測時均流速、脈動流速及雷諾應力差別都不很大,各組量級基本相同。但孔板內(nèi)緣流場的水流分離點略有差別,圖7中c、e、f三種貼角尺寸,其r/D均為0.0207,孔徑比β均為0.724,在a/h=0(圖7e)的孔板內(nèi)緣中斷面斜坡附近未發(fā)現(xiàn)負流速,而在a/h=0.3和0.6(圖7f、c)模型上相同位置測得負流速,說明f、c兩組水流分離點上移,內(nèi)緣斜坡面上出現(xiàn)小的旋渦區(qū),從而揭示了貼角對消能系數(shù)影響的機理,即當貼角尺寸在a/h<0.6范圍時,加大貼角使消能略有增加,這是由于適當?shù)馁N角尺寸可以向上游調整水流分離點,使消能系數(shù)不下降,又可消除角隅旋渦。4.3孔板及流場模擬分析孔板流動是軸對稱的有壓流,圓形管道模型能真實反映其流場規(guī)律,而矩形管道模型與實際孔板流場是有差別的。圖9是一組矩形管道模型試驗結果,與圖1圓形管道模型孔板斷面參數(shù)相同,圖1圓形模型孔徑比β=0.69,圖9矩形模型孔口垂向收縮比亦為β=0.69,內(nèi)緣坡角均為α=30°,內(nèi)緣頂弧半徑均為r/D=0.0014,D分別為管道直徑或高度。由于孔板處形成的面積收縮比不同,因此兩種模型壓力分布差別很大,對孔板后整個流場尺度都有影響。主要表現(xiàn)在以下方面:1.圓形模型在孔板下游流場恢復較慢,回流區(qū)較長。矩形模型無側向收縮,夸張了軸向水流作用,使孔板后流場恢復較快,回流區(qū)較短。2.圓形模型紊動強度各向差別較小,矩形模型則差別較大,軸向紊動強度高于徑向,最大值高出1倍多,許多測點幾乎高出一個量級,見表1。盡管如此,比較圖1和圖9,兩種模型的流速場分布形態(tài)非常相似。矩形模型可以精細觀測孔板內(nèi)緣型式對流場的影響過程,探討孔板分離流起始情況,以便了解孔板流場全貌,禰補圓管道模型無法量測孔板環(huán)內(nèi)流場的不足,因此矩形模型試驗也是有意義的。五、內(nèi)緣型式對消能系數(shù)的影響綜上所述,通過對圓形模型和矩形模型二維激光測速試驗,得出以下結論:1.孔板水流是典型的分離流動,流場具有分區(qū)特性和高度不均勻性、高紊動性,并且存在強剪切層、強旋渦區(qū),從而構成主要消能區(qū)在水流內(nèi)部的特征?？装鍍?nèi)緣是對水流擾動的起點,水流進入內(nèi)緣后,時均流速迅速加大動強度急劇上升。內(nèi)緣型式的變更可以改變流場分區(qū)尺度、流速不均勻程度和紊動程度,從而改變壓力沿程分布和消能效果。2.圓形模型三種內(nèi)緣型式試驗說明,內(nèi)緣頂弧尺寸加大,斷面動能不均勻程度減輕,脈動動能下降,回流區(qū)縮短,因此消能系數(shù)明顯降低。內(nèi)緣坡角0°與30°相比,流場動能修正系數(shù)分布差別較大,但脈動動能分布比較接近。由于試驗模型的孔板厚度較薄(t/D=0.138),在試驗坡角范圍內(nèi),坡角對回流區(qū)長度和消能系數(shù)未顯出較大的影響。3.由矩形管道模型試驗探測孔板內(nèi)緣流場,可以了解內(nèi)緣型式對消能影響的內(nèi)在機理。內(nèi)緣頂弧半徑加大時,水流分離點下移,孔板內(nèi)緣斜坡面上的旋渦區(qū)縮小甚至消失;回流區(qū)縮短,紊動強度下降,因而消能系數(shù)減小。當孔板