灣塘水電站泄流霧化-數(shù)值計算

1、灣塘水電站泄流霧化-數(shù)值計算            摘要：根據(jù)底流消能泄流霧化的機理，應(yīng)用量綱分析方法，得到水霧霧源量的計算關(guān)系式；在霧源為連續(xù)線源和任意風(fēng)向的條件下，利用高斯擴散方程，研究了水霧在峽谷內(nèi)擴散規(guī)律；結(jié)合霧雨自動轉(zhuǎn)換過程、碰并過程、霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)過程，得到霧源下游流場水霧濃度、溫度、相對濕度和降水強度的分布；對灣塘水電站底流消能霧化進行了數(shù)值計算，計算結(jié)果與原型觀測數(shù)據(jù)基本一致。 關(guān)鍵詞：底流消能 霧化 數(shù)值計算  水電站采用不同的泄流消能方式，對水

2、霧的產(chǎn)生機理、形態(tài)及霧量多寡，存在較大的差異。對于挑流消能工程，泄流霧化會造成以下危害：廠房進水、斷電、交通中斷和邊坡失穩(wěn)。自20世紀70年代以來，國內(nèi)一些專家學(xué)者對挑流霧化問題進行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果；但對于底流消能工程，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)和水流紊動加劇2，進而部分水體以微小水滴的形式進入空氣中，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，向下游擴散，使水霧分布在下游的一定空間中。之后，水霧經(jīng)自動轉(zhuǎn)換過程和碰并過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛?/p>

3、滴，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。式中：ql為單位長度線源的水霧霧源量，kg/(s·m)；為水的密度；Lj為水躍的長度，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：1.2 水霧擴散的數(shù)學(xué)模型個高架連續(xù)線源擴散的示意圖，坐標系oxyz的y軸

4、與壩軸線平行，x軸為水流方向，z軸為垂直向上，點o位于躍首上方，且高程等于下游水位。設(shè)P為下游空間的任意一點，其坐標分別為x、y、z，其水霧的濃度為：2007-04-29        uw，其風(fēng)向與x軸正向成2角，規(guī)定：從x軸的正向開始，繞點o逆時針轉(zhuǎn)動時，角為正值；反之，角為負值，如圖5所示。建立風(fēng)坐標系ox1y1z，使x1軸與uw平行，坐標系oxyz、ox1y1z的z軸相重合。將線源在y1軸上投影，分別得到虛擬線源在y1軸上的起點和終點坐標：y01=y1cos2；y02=y2cos2。這樣，合成風(fēng)速uw與線源成任意角的情況就轉(zhuǎn)化為 合成風(fēng)速uw垂直流過虛擬線源的情況。參照式(8)，得到下游任意一點的水霧濃度分布：式中：Erc為雨滴對霧滴的碰并效率，qc為單位質(zhì)量空氣中水霧的質(zhì)量(kg/(空氣kg)，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，空氣的溫度和水汽比濕分別為T1和q1，若凝結(jié)量等于x時空氣達到飽和，此時，空氣的溫度和水汽比濕分別達到T和q，存在以下關(guān)系式：