溢洪道曲面貼角鼻坎脈動高壓特性分析

溢洪道曲面貼角鼻坎脈動高壓特性分析

1解決消能問題和目作為主要的排水建筑物，溢流道的出口和水位可根據(jù)兩種配置方式進行配置：一種是與河流軸之間的一定角度，另一種是與河流軸平行的。對于第一種布置方式,當夾角角度不大時,采用窄縫或連續(xù)式挑坎都可以解決泄洪消能問題,當夾角角度過大或出現(xiàn)第二種布置方式時,簡單的窄縫或連續(xù)挑坎都不能解決水流的導向消能問題。曲面貼角鼻坎作為一種使高速水流有強烈導向作用的消能工,對該問題的解決提供了一定參考依據(jù),但解決消能問題的同時也帶來另外一個問題,即鼻坎高壓振動問題。使鼻坎產(chǎn)生高壓振動的一個主要作用力,就是水流在鼻坎上較大脈動壓強作用問題。因此研究鼻坎水流脈動壓強特性就具有一定的重要意義。本文通過對已建工程原型脈動壓強資料分析,對曲面貼角鼻坎的脈動壓強特性進行了具體分析,并在分析基礎上,結合模型試驗資料對脈動壓強相似性問題進行了對比分析。2鼻坎和折流器某工程樞紐由大壩、泄水建筑物和電站三部分組成,泄水建筑物由壩身泄水孔和岸邊溢洪道組成,溢洪道位于左岸邊。由于受樞紐布置及出口消能等因素的影響,溢洪道體型比常規(guī)體型較為復雜,豎向有兩個渥奇面及一個變坡,水平向收縮后又旋轉,出口使用了曲面貼角鼻坎和折流器,鼻坎體形如圖1所示。在鼻坎前后,高速水流邊界體形發(fā)生突變,為了對突變處水流脈動壓強特性進行研究,先后通過模型與原型,分別對水流脈動壓強進行了觀測。3動脈高血壓分析3.1測試結果分析原型觀測測點布置如圖1所示。考慮到溢洪道a-a斷面是邊墻曲線變化的一個奇點,即邊墻旋轉的同時,從頂部到底部,曲率半徑不斷減小。體型變化必然伴隨高速水流特性的變化,所以脈動壓強觀測測點主要分布于鼻坎近底部的邊墻上。其中1#、2#、3#測點主要是為測試脈動壓強隨高程的變化分布規(guī)律而設,2#、4#、5#測點是為尋找近底部脈動壓強分布規(guī)律而設。觀測共進行多組測試記錄,通過對測試結果分析發(fā)現(xiàn),儀器所采集數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,同一測點最大與最小之差不超過2%,避免了儀器或水位不穩(wěn)定對測試結果的影響。為了對測點處原型壓強變化情況進行對比分析,將各測點時均壓強與脈動壓強、紊動強度分布進行匯總如圖2所示。其中紊動強度即脈動壓強與時均壓強之比的百分數(shù)。3.1.1水體幫助部位從圖2中可以看出,近底部2#、4#、5#點時均壓強比其上部對應點稍大一些,近底部靠近拐點的2#點比鼻坎上的4#、5#點大一些。時均壓強出現(xiàn)這一分布規(guī)律的主要原因在于拐點處邊界對水流的作用力。2#測點處于邊界的導向圓弧上,水流出現(xiàn)離心力作用,流速被減小,動水壓強增加。從能量轉化的角度分析,即動能轉化成壓能,所以2#點時均壓強比較大。而后面的溜槽與鼻坎又迫使水流在橫向收縮的同時,縱向拉開,特別是溜槽的出現(xiàn),水流流場發(fā)生較大變化,迫使水流縱向下降的趨勢勢必導致水流流速增加,流速增加必然出現(xiàn)壓強沿程減小的趨勢,所以4#、5#點相對于2#點壓強有所下降。所有測點時均壓強變化規(guī)律與體型變化規(guī)律基本一致。3.1.2u3000紊動強度及沿程增加從圖2中各測點脈動壓強分布情況看,脈動壓強比較穩(wěn)定,基本分布在30kPa左右,沒多少變化。結合時均壓強與脈動壓強值進行水流紊動強度的統(tǒng)計計算,計算結果如圖中水流紊動強度分布規(guī)律所示。從圖2中可以看出:2#測點雖然壓強最大,但其紊動強度卻最小,處于各測點中最高位置的1#測點雖然壓強最小,但其紊動強度卻最大。近底部紊動強度有沿程增加之趨勢。文獻對紊流脈動流能量方程進行討論后得出如下結論:紊動就要不斷耗散能量,而為了保持紊動,就要不斷向其提供能量,提供能量的方式就是時均流通過雷諾應力進行傳遞。即時均流能量減小,脈動流能量增加。此處1#測點靠近水面,壓強較小,水流摻氣較多,渦旋比較劇烈,導致紊動強度加劇;而近底部水流時均壓強較大,紊動強度卻比較小。隨著測點位置向下游的推進,在鼻坎附近,水流又出現(xiàn)縱向拉開之趨勢,臨空面增加,摻氣隨之增加,則時均壓強不斷減小,時均流所具有的能量必然下降,紊動強度又呈現(xiàn)增加趨勢。這一變化規(guī)律符合水流邊界的變化,即鼻坎前到鼻坎中水流紊動強度隨著體型不斷變化呈現(xiàn)交替變化規(guī)律是合理的。從圖2中還可以看出,所測各點最大紊動強度均不大于10%,比較小,說明鼻坎處水流脈動壓強對建筑物安全運行不會產(chǎn)生影響。3.1.3壁壓脈動參數(shù)特征頻譜特性是水流脈動壓強分析的一個重要方面,合理的頻域范圍和結構對建筑物安全具有非常重要意義。頻域范圍即通常所說的優(yōu)勢頻率,頻域結構即頻率類型。優(yōu)勢頻率的計算一般有兩種,一種是以大于或等于最大譜密度值的1/2為界限進行確定,另一種是以大于或等于譜密度曲線中面積的1/2為界限進行確定,兩種方法無本質區(qū)別。此處以大于或等于最大譜密度值的1/2為依據(jù)進行統(tǒng)計。各測點頻率特征參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。文獻指出:壁壓脈動分為兩種,一種是均勻流和漸變流邊界上的脈動,一種是流態(tài)突變邊界上產(chǎn)生的脈動。前一種脈動主要受小渦旋影響,頻域結構為高頻、多峰、低幅脈動,后一種受大尺度渦旋影響,頻域結構多呈現(xiàn)低頻、單峰、高幅脈動。通過表1可以看出,此處水流基本上屬于低頻大尺度脈動,且各測點的頻域變化規(guī)律與圖2中紊動強度變化規(guī)律比較一致。1#測點紊動強度最大,其優(yōu)勢頻率范圍最小,為單峰脈動;近底部2#、4#、5#測點優(yōu)勢頻率范圍較大,呈現(xiàn)雙峰脈動。該頻率特性不會與建筑物自振頻率發(fā)生耦合共振,因此對建筑物結構安全也不會產(chǎn)生影響。3.2原生長規(guī)律和模型測試結果試驗在1∶50模型上進行,測點與原型位置基本相同,壓強測試結果按重力相似準則換算到原型,分布如圖2所示。試驗是按標準工況庫水位進行測試,而原型是按觀測時水庫實際水位進行測試,所以原型庫水位比模型測試工況高約1m,測試結果會出現(xiàn)一些差異。模型時均壓強、脈動壓強、紊動強度分布規(guī)律如圖2中所示。從圖中可以看出,模型時均壓強與原型時均壓強分布規(guī)律基本一致。模型水位比原型低約1m,在邊界相對突變不大的1#、3#測點,模型時均壓強比原型小,在邊界突變比較大的2#、4#、5#測點,時均壓強比原型還大。這些變化都順應了高速水流流場的變化規(guī)律。脈動壓強分布規(guī)律與原型相同,但總體幅值比原型小,大約只有原型的40%～50%。一方面有水位的影響,另一方面可能也有測試差別、甚至于相似性的影響。由于脈動壓強的減小,水流紊動強度也出現(xiàn)了一些差異。強度幅值約占原型的40%～50%,分布趨勢比較一致。由于頻率的相似性問題爭議比較大,所以只對模型頻率進行匯總,如表2所示。對比表2與表1的測試結果可以發(fā)現(xiàn),原型與模型的頻率分布特性比較接近。如果按重力相似準則將表2數(shù)據(jù)進行換算,反而與原型出現(xiàn)較大差異。即模型與原型可能存在頻率比尺λf=1的結果。此處,通過原型與模型的對比發(fā)現(xiàn),壓強有一些差別,這主要在于原型與模型水位不一致,但總體趨勢比較一致。而優(yōu)勢頻率與主頻基本上都相近(不包括5#測點),都在低頻范圍內。即曲面貼角鼻坎脈動