摻氣折流器對(duì)側(cè)空腔和底空腔長(zhǎng)度的影響解讀

1、摻氣折流器對(duì)側(cè)空腔和底空腔長(zhǎng)度的影響摘要：在突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施中，為保證摻氣效果，增加底空腔的長(zhǎng)度，加設(shè)折 流器是有效的工程措施。 試驗(yàn)證明，折流器坡度和高度對(duì)空腔長(zhǎng)度均有影響，較高的折流器增加空腔長(zhǎng)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?；厮菟魇沟卓涨蛔兌蹋?有效空腔長(zhǎng)度是影響摻氣效果的重要因素。 在空腔長(zhǎng)度的 計(jì)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(jì)算公式有 實(shí)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(duì)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(kuò)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(yàn)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(yùn)行。但突擴(kuò)摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗(yàn)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(kuò)突跌摻氣水流的規(guī)律，在側(cè)墻加設(shè)折流器后對(duì)空腔特性、 所造成的影響等有現(xiàn)實(shí)意義。1試驗(yàn)方案及設(shè)備模型按重力相似試驗(yàn)研究在三峽工程泄洪深孔突擴(kuò)突跌摻氣水工模型上進(jìn)行。準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，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(shí)均壓力測(cè)孔、脈壓測(cè)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(cè)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(cè)。試驗(yàn)為探討側(cè)向折流器不同高度和體型對(duì)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(yàn)結(jié)果及分析2.1流態(tài) 由于側(cè)向突擴(kuò)，水流從有壓段出口流出后向四周擴(kuò)散，由二維流動(dòng)變?yōu)檩^復(fù)雜的三維流動(dòng)。 擴(kuò)散水流撞擊側(cè)墻后， 向上擴(kuò)散的水流形成水翅， 向下擴(kuò) 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(huì)激起沖擊波， 流態(tài)較復(fù)雜，水翅過高也會(huì)沖擊門鉸。 向下擴(kuò)散的水簾增加底空腔的回溯水流， 減小了底空腔長(zhǎng) 度。側(cè)向突擴(kuò)水流對(duì)側(cè)墻的影響可大致分為 4 個(gè)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(zhǎng)度， Lr 為有效底空腔長(zhǎng)度， Ls 為側(cè)空腔長(zhǎng)度。Lf. 空腔區(qū)是自水流脫離孔口側(cè)試驗(yàn)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(zhǎng)度為水翅長(zhǎng)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(zhǎng)度， 隨庫但與折流器坡度沒有明顯的相互側(cè)空腔長(zhǎng)度變小， 孔口出流與突擴(kuò)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(diǎn)高水翅最高點(diǎn)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(shí)， 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(shí)較多發(fā)生， 程與折流器高度有關(guān)?？卓诔隽髋c側(cè)墻沖擊角變小， 逆逆向水射流對(duì)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(shí)， 側(cè)空腔加長(zhǎng)， 向水射流減弱， 此時(shí)由于沖擊點(diǎn)向下游推移， 脅。2.2 側(cè)空腔長(zhǎng)度側(cè)空腔長(zhǎng)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(kuò)散沿水流

6、方向逐漸加強(qiáng)， 因此出流與側(cè)墻的沖擊交點(diǎn)與孔口的距離并不相等。 未加折流器時(shí)， 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(diǎn)的水平距離為側(cè)空腔長(zhǎng)度，各方案的試驗(yàn)結(jié) 果?？梢钥闯觯?加設(shè)折流器可以加長(zhǎng)側(cè)空腔長(zhǎng)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(duì)加長(zhǎng)側(cè)空腔長(zhǎng)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(duì)孔口底部水流橫向擴(kuò)散約束影響， 反而縮短了側(cè) 空腔長(zhǎng)度。2.3 底空腔長(zhǎng)度2.3.1底空腔長(zhǎng)度試驗(yàn)結(jié)果空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此。空腔的長(zhǎng)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(dòng)擴(kuò)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(zhǎng)度的量測(cè)造成困難，對(duì)水舌底緣的判斷不同，測(cè)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(cè)摻氣濃度分布來確定底空腔長(zhǎng)度，顯然這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，后來產(chǎn)生出通過量測(cè)底板時(shí)均壓力來確定底空腔長(zhǎng)度的方法，用P=0.4（Pmax-Pea）的位置來確定底空腔長(zhǎng)度，式中：Pmax為底板上的最大時(shí)均壓力，為Pea空腔中的最小壓力。也有人直接用底板時(shí)均壓力最大點(diǎn)的位置來確定底空腔 長(zhǎng)度。而與下式根據(jù)本試驗(yàn)直接觀測(cè)到的底空腔長(zhǎng)度數(shù)據(jù)與上述

8、兩種方法出入較大, 表達(dá)的底板時(shí)均壓力吻合。P=0.75 Pmax (1)大量試驗(yàn)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(shí)際凈空腔的長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于底空腔的長(zhǎng)度。因此采用底空腔長(zhǎng)度Lb來說明摻氣能力是不夠全面的，有效空腔長(zhǎng)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(cè)資料 3也表明，原型水舌下緣漩滾強(qiáng)度和回溯水流比模型更加嚴(yán)重。所以采用有效空腔長(zhǎng)度來作為設(shè)計(jì)摻氣設(shè)施的依據(jù)是安全的。有效空腔長(zhǎng)度的量測(cè)，與用底板時(shí)均壓力大小來確定空腔長(zhǎng)度的方法進(jìn)行對(duì)比 分析發(fā)現(xiàn)，有效空腔長(zhǎng)度值較符合下式表述的底板時(shí)均壓力值。P=0.18 Pmax (2)可以看出，空腔長(zhǎng)

9、度和有效空腔長(zhǎng)度，在一定程度上受折流器的影響，折流器越高，空腔長(zhǎng)度越長(zhǎng)，有折流器的方案比沒有折流器的方案空腔長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)度的計(jì)算目前有各種計(jì)算空腔長(zhǎng)度的計(jì)算公式， 但適用于突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施底空腔長(zhǎng)度 計(jì)算的公式很少， 能反映折流器對(duì)空腔長(zhǎng)度影響的計(jì)算公式更是罕見， 本文擬在這 方面作一探討。將坐標(biāo)原點(diǎn)放在跌坎通常計(jì)算底空腔長(zhǎng)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?yàn)?x 軸正向， y 軸垂直向下，則有a3為射流實(shí)際拋射角向下為正； u 為坎上

10、式中：Lb為底空腔長(zhǎng)度；yo為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長(zhǎng)線交點(diǎn)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(shí)測(cè)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(jì)算出的底空腔長(zhǎng)度修正。對(duì)于B的選擇各有不同，文獻(xiàn)文獻(xiàn)4考慮0 1的同時(shí)引入最大橫向脈動(dòng)流速計(jì)算計(jì)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(shí)考慮0和0的影響。本文對(duì) 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(zhǎng)度有關(guān)， 絕大部分摻氣是在有效空腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。因此有效空腔長(zhǎng)度的估算，對(duì)一

11、個(gè)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(diǎn)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(diǎn)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(yàn)結(jié)果得：在不同庫水位條件下， 6個(gè)方案按式（ 15）計(jì)算結(jié)果，計(jì)算值和試驗(yàn)量測(cè)值對(duì) 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(duì)空腔長(zhǎng)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(zhǎng)度。 不僅如此， 試驗(yàn)觀測(cè)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(shí)，孔口出流與突擴(kuò)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(zhǎng)度變短，直接影響摻氣減蝕效果。正確區(qū)分和 計(jì)算空腔長(zhǎng)度和有效空腔長(zhǎng)度是評(píng)價(jià)一個(gè)摻氣方案的關(guān)鍵。本文根據(jù)底板最大時(shí)均1）、壓力來判斷兩種空腔長(zhǎng)度的經(jīng)驗(yàn)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(jì)算空腔長(zhǎng)度式（10）、（ 15），有實(shí)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(bào)，1980， （ 5）：25-27.時(shí)啟燧。通氣減蝕挑坎水力學(xué)問題的試驗(yàn)研究J.水利學(xué)報(bào)，1984，（ 3） 33-34.長(zhǎng)委設(shè)計(jì)院樞紐處。三峽工程泄洪深孔突擴(kuò)突跌式摻氣設(shè)施研究成果3武漢：長(zhǎng)江水