中图分类号:TV135 文献标识码:A 文章编号: 1007-2284(2010)11-0107-04
Research on Hydraulic Characteristics of Vertical Vortexes behind Sills of Energy Dissipaters with the Step-down Floor
MAO Shu-ya1 , ZHANGQiang2 ,WANG Li-hui3 ,WANGHai-jun1
Abstract: The ver tical vortex of falling-sill bottom-flow dissipation affects directly the hydraulic index of the energy dissipation pool. The hydraulic char acteristics of vertical vortex behind the sill of the dissipater with the hydraulic test is studied. And the form of transverse vortex and the change of its mov ement area are also analyzed, and then a preliminary study is made of the velocity chang es at the shearing points between the vortex and bottom, the vortex and the sill. Besides, the changes of the vortex region related to the integral pressure of the baffle basin are studied. The results show that the vertical vortex have effect on the hydraulic index of the energy dissipation.
Key words: sill of energy dissipator with step-down floor; vertical vortex ; hydraulic characteristics; velocity distribution; pressure distribution
0 引言
跌扩型底流消能工是建立在常规底流消能工基础上的一种消能方式, 其体型为在泄槽末端消力池进口处分别将消力池向下开挖适当深度和向两侧开挖适当宽度构成跌扩型消力池。目的是通过改变水流入池角度和增加消力池深度和侧扩, 以降低消力池内底板上压力及临底流速。跌扩型底流消能工由于跌坎和突扩的存在, 水流进入消力池后, 形成淹没射流, 在主流上下形成漩涡和强剪切紊动从而得以消能。消能机理为随着水流沿程扩散,使底板和边墙处各水力学指标得到降低, 从而有效地缓解传统底流消能工带来的消力池脉动压强大、临底流速高、底板抗冲刷保护难度大等问题, 扩大了底流消能工的应用范围。
采用跌扩型底流消能工, 由于在消力池进口处存在侧向突扩, 使得水流进入消力池后流场几何形状发生突变, 水流脱离边界而形成立轴漩涡, 这使得消力池内流体结构、压力分布等变得更加复杂, 可能对消力池产生一定破坏。目前对跌扩型底流消能工坎后立轴漩涡水力特性研究较少, 本文采用水力学试验方法, 对坎后立轴漩涡的运动形式, 以及其对消力池内水力特性及压力分布情况的影响等进行了研究[1-3]。
1 试验装置及研究内容简介
试验装置采用有机玻璃制作而成。消力池尺寸为1.0 m×0.2m(长×宽) , 试验中跌坎深度分别取6、8 cm, 突扩比分别取1.6、2。由于水流的入池流速无论过小或过大都会在消力池内形成面流和远驱水跃, 因此试验中入池流速取水流进入消力池形成淹没射流的流速上下限及中间插值。试验中通过对立轴漩涡运动区域变化分析, 得出了立轴漩涡的主要运动轨迹;通过对消力池内沿程流速的实测,分析了立轴漩涡对临边墙流速的衰减变化的影响情况; 通过对消力池边墙及底板上时均动水压力的实测, 分析了边墙及底板上时均动水压力的分布情况及与坎深和突扩比之间的关系。
2 漩涡运动区域分析
由于边墙限制及射流卷吸作用, 水流以射流形式进入消力池水体后, 在消力池两侧形成两个互为对称的立轴漩涡, 如图1所示。假定立轴漩涡运动迹线为椭圆方程x2/a2 + y2/b2 =1,式中a、b 分别为长短轴, a 值近似取回流长度的1/ 2, 即a≈L/2( L由试验确定), b 值可近似取侧扩错距的1/2, 即b≈h/2(△h= (B-b)/2, 在实际工程中,△h 总是小于消力池长度的) 。得出a/ b= L/△h, 令a/b= L/△h= k, 代入椭圆方程得到x2/k2b2+ y2/b2=1。由此可知, 当k>1是, 立轴漩涡作椭圆运动, 当k=1时, 漩涡运动迹线为规范的圆形。进而将研究立轴漩涡运动形式的问题转化为研究k 的取值的问题。
图1 立轴漩涡示意图
Fig.1 Vertical vortex map
k 值大小主要受回流长度和侧扩错距影响。由于水流的波动性, 回流长度和侧扩错距值并不固定, 而是在一定范围内波动。回流区尾部流态紊乱, 流向不确定, 回流末端上下移动, 移动距离可达回流长度的1/10 以上, 故回流长度L 取其时间平均值, 如表1 所示。
通过以上分析知, 立轴漩涡运动形式要受侧扩错距影响,而侧扩错距又与回流长度有直接关系, 所以立轴漩涡运动形式主要受侧扩错距和回流长度共同影响。从表1 知, k 值在6.7~ 9.3 之间变化, 大于1, 故立轴漩涡运动轨迹为椭圆形。
表1 回流长度值及k 值计算值
Tab. 1 Back length of the values and the k calculated values
在实际计算中, 可采用公式l= x cosθ确定回流长度值,式中: α为反映射流卷吸和掺气作用的系数, 需由实验确定, x为射流长度, θ为水流入池角度[4, 5]。
3 水力特性分析
3. 1 漩涡流速特性分析
消力池前端立轴漩涡流速分布如图2 所示。漩涡外缘与主流相切处流速最大, 漩涡中心以下流速为负。其运动轨迹为椭圆形, 流速沿漩涡主轴向圆心呈线性分布, 漩涡中心处流速为零。采用螺旋桨测速议, 本试验还对主流和回流区交界处的流速和距边墙0.5 cm 处的流速即临边墙流速进行了测量。测得的流速分布如图3所示。
图2 立轴漩涡流速分布示意图
Fig. 2 Vertical vortex Velocity distribution map
在立轴漩涡表层, 主流边缘B 点处的流速约等于2 倍的临边墙流速; 在中间层, 主流边缘处流速近似与临边墙处流速相等, 这主要是因为立轴漩涡表层受边墙磨阻作用使得临边墙流速降低, 在中间层, 主流下潜使得主流边缘流速沿程降低。在底层, 立轴漩涡被底滚漩涡所截, 运动轨迹不再是完整的椭圆形。其中临边墙流速最大值出现在立轴漩涡与边墙相切处, 见图3 所示。
图3 临边墙流速分布示意图
Fig. 3 Temporary side-wall Velocity distribution map
试验结果表明, 入池平均流速与临边墙流速存在直接关系。由于有限空间骤然扩大水流和淹没水跃现象在某种程度上是相似的, 因此对于有限空间骤然扩大水流的研究可参照淹没水跃的相关研究成果。淹没水跃表面旋滚的回流表面流速可由经验公式确定:
式中: us、u0分别为临边墙流速和入池平均流速; L为回流长度; x为距离突扩面的水平距离。
当x= L/2 时, us最大, 为- 0.21u0, 即在立轴漩涡与边墙相切处临边墙流速us 最大, 与试验结果一致。
3. 2 压力分布
通过试验实测和数据分析可知, 在边墙不同高程处时均动水压力分布相似。在消力池前半部(距突扩断面40 cm以前)时均动水压力波动较小, 压力梯度较小; 在消力池后半部(距突扩断面40 cm以后),立轴漩涡靠近边墙处, 压力值逐渐增大,压力梯度也随之增加。试验采用测压仪即用测得的水管中水柱高度来表示压力值, 测得底板上时均动水压力分布如图4所示。消力池前半部底板时均动水压力波动较大, 压力也梯度较大, 如图5所示。随着距突扩断面距离增大, 压力分布逐渐趋于平缓, 压力波动较小, 这主要是受回流区主流扩散的影响。
图4 边墙不同高程处时均动水压力分布示意图
Fig. 4 Pressure distribution of side-wall on different elevation map
图5 底板时均动水压力分布示意图
Fig. 5 Pressure distribution of Bottom map
图6 不同跌坎深度和突扩比下立轴漩涡区域压力分布示意图
Fig. 6 Pressure distribution of vertical vortex on different depth of falling-sill map
图6 所示为入池能量相近, 不同跌坎深度和突扩比下,消力池底板与边墙在立轴漩涡影响区域时均动水压力分布情况。在突扩比相同情况下, 消力池前半部(距突扩断面40cm以前)底板和边墙时均动水压力随着跌坎深度增大, 波动逐渐减小,压力梯度也随着降低。消力池前半部, 底板距边墙2 cm处时均动水压力波动较大, 压力最小值出现在立轴漩涡涡心位置,这主要是由于水流沿程扩散, 增大了消能面积, 从而降低了压力;在边墙距底板3 cm处时均动水压力波动较小, 压力最小值出现在立轴漩涡外缘和边墙相切处, 这主要是因为在立轴漩涡与边墙相切处回流流速最大, 根据能量守恒原理, 切点处压力最小。消力池后半部( 距突扩断面40cm以后) , 随着坎深增大, 底板和边墙上时均动水压力也随之增大, 主要是由于在回流区尾部压力急剧增大, 主流扩散到边墙处时受到边墙的限制, 流线急剧弯曲, 其动能转化为边墙上的压能和水流的位能,使得边墙处动水压力增大。随着跌坎深度减小, 消力池前半部底板与边墙时均动水压力波动增大, 说明跌坎深度减小, 消能不充分, 主流到达底板时尚有大量动能, 由于受到底板限制作用, 主流动能转化为底板上压力, 如图6(a)、(b) 所示。在坎深相同情况下, 随着突扩比增大, 底板与边墙时均动水压力在消力池前半部波动有所降低, 在消力池后半部压力减小, 如图6(a)、(c) 所示。
4 结语
(1) 跌扩型底流消能工由于立轴漩涡的存在, 提高了消能率。并能有效改善消力池内水力学指标, 降低底板压力。立轴漩涡主要运动轨迹为椭圆形。漩涡临近边墙处流速与入池平均流速及回流区长度有关, 且在立轴漩涡与边墙相切处临边墙流速最大。
(2) 底板上时均动水压力随着立轴漩涡距底板距离增大而逐渐降低; 随着距边墙距离增大逐渐增大。
(3) 在入池能量相近, 坎深不变的情况下, 随着突扩比增大, 消力池前半部(距突扩断面40 cm以前), 漩涡区时均动水压力波动减小, 压力梯度降低; 突扩比不变, 随着坎深增加, 漩涡区时均动水压力波动变小, 压力梯度降低。
参考文献:
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作者简介:毛舒娅(1984-) , 女, 硕士研究生, 主要从事工程水力学及试验研究。
