中图分类号: TV135 文献标识码: A 文章编号: 1672-1683(2011) 01-0036-04
Experimental Study on Characteristic of Pressure Distribution about the Falling-sill and Expanding Bottom-flow Energy Dissipater
CHEN Zhao, MAO Shu-ya, HUANG Hai-yan, CHEN Wen-xin
Abstract: Based on the m ethod of hydraulic t es t the inf lu ence of expansi on rat io, depth of the falling-sill and the flowing- in Froude number on the hydrodynamic pressure in imPACt area of the stilling basin bottom is analyzed emphatically. There search results show choosing the appropriate expansion ratio, depth of the falling-sill and the flowing-in Froude number can lower the hydraulics indicators of the stilling basin bottom and the sidewall effectively in the falling- sill and expanding bottom-f low energy dissipater. Under the optimum combination they can not only keep the energy dissipate ratio higher but also can keep the hydro-dynamic pressure lower to avert the bottom plates from levee slip ping in impact area of the stilling basin bottom and the sidewall.
Key words: hydraulics; pressure distribution; experiment al study; falling- sill and expanding bottom-flow energy dissipater; Froude number Fr0; expansion ratio; depth of the falling-sill
1 研究背景
跌扩型底流消能工是一种建立在常规底流消能工基础上能有效解决高水头、大流量、泄洪前沿有限工程消能问题的新型消能工[1] , 其体型为边墙的水平方向具有一定距离的突扩, 在泄槽末端消力池进口处将消力池底板向下开挖, 构成跌扩型消力池, 作用是通过改变水流入池角度和增加消力池深度进而降低消力池内底板上压力及临底流速。由于跌坎[ 2-6] 和突扩[7] 的存在, 水流进入消力池后, 形成淹没射流,使高水头、大单宽流量水流射入消力池后, 主流与底板保持一定的垂直距离, 和边墙保持一定的水平距离, 利用在射流周围所形成的强剪切紊动和漩滚来达到消能的目的。跌扩型底流消能工不仅克服了传统底流消能工临底流速大、底板的抗冲保护难度大等比较突出的难题, 而且还能提高底板的抗冲耐磨能力, 扩大底流消能工的应用范围。
本文采用水力学试验方法, 对消力池底板, 跌坎面以及侧边墙压力分布规律等进行了初步的研究, 该研究成果可为工程设计提供一定的科学依据。
2 试验装置和研究内容
本次试验选定2 个跌坎深度(即d = 8 cm 和6 cm) 、3 个突扩比(即β= 1、1.6、2)、3 个入池水流弗劳德数Fr0 及3 个尾水深度, 共确定30 组试验工况。试验中通过对水流流态的观测, 分析了消力池内水流结构和水流的运动情况; 通过对消力池底板和边墙时均动水压力的测量, 分析了底板与边墙的时均动水压力沿程分布规律以及跌坎面压力分布规律,试验装置见图1。
3 消力池底板压力分析
底板中轴线时均动水压力沿程分布规律与突扩比有关:消力池前部冲击区压力随着突扩比的增大而减小, 在消力池后半段, 压力近似按静水压力分布, 分别是在跌坎深度一定(d= 8 cm) 而入池断面弗劳德数相近的3 个工况下, 不同的突扩比(β= 1、1. 6、2) 下, 底板中轴线时均动水压力沿程分布规律, 见图2。
图1 试验装置布置
Fig. 1 Layout of test plant
图2 不同突扩比下底板中轴线时均动水压力分布比较
Fig. 2 Time-average dynamic pressure of bottom in different expansion ratios
底板时均动水压力沿程分布与跌坎深度有关, 是在突扩比一定而入池水流弗劳德数相同时, 在不同的跌坎深度下(d= 8 cm和d= 6 cm) , 底板中轴线时均动水压力分布规律,见图3(a)、图3(b)。在(a) 图中(β= 2, 入池弗劳德数Fr0= 6. 5) ,在跌坎深度为6cm时, 消力池前部存在明显压力冲击区, 在距突扩断面10~ 20 cm 之间存在较大的压力梯度, 压力区峰值甚至超过跌坎深度为8 cm时相应位置的动水压力, 跌坎深度为8 cm时, 消力池前部没有明显的压力冲击区, 在整个消力池内压力梯度比较小, 说明消能效果比较好; 在(b) 图中(β= 1 即等宽, 入池弗劳德数Fr0= 6. 3) , 跌坎深度为8 cm和6 cm时, 消力池前部均存在明显的压力冲击区, 在距突扩断面10~ 20 cm之间前者(d= 8cm) 的压力梯度小于后者(d=6cm) 。通过以上分析可以得出, 跌坎深度对消力池底板动水压力分布及其冲击区动水压力峰值大小有着重要影响, 随着跌坎深度的增加, 相当于主流到达底板前的射程增加, 射流与周围水体剪切面积增加, 在射流[8-9] 四周形成强烈的剪切和紊动旋涡[10-12] , 动能得以消耗, 流速降低, 主流到达底板时转化为底板压能的垂向流速分量也相应减小, 所以消力池前部的冲击区压力随着跌坎深度的增加而减小。
底板时均动水压力沿程分布与入池断面的弗劳德数Fr0 有关, 是在跌坎深度和突扩比一定时(d=6cm 和β=2) ,在不同的入池断面弗劳德数下(Fr0=6. 34、6 . 92、7.20) , 底板中轴线时均动水压力沿程分布规律, 见图4。与水垫塘底板压力分布相似, 消力池前部存在压力冲击区, 在冲击区, 主流转向、流线弯曲, 流速迅速减小, 压力急剧增大, 对消力池底板产生巨大的冲击压力, 是造成底板块失稳破坏的主要区域, 表现出明显的冲击射流特征, 这与常规消力池压力分布有明显差别, 冲击区压力峰值随着入池断面弗劳德数Fr 0 的增大而增大, 位于再附点上游, 在消力池后半段, 压力近似按静水压力分布。通过以上分析可以得出, 入池断面弗劳德数Fr0 对消力池底板冲击区动水压力有重要影响, 冲击区动水压力随着Fr0 的增大而增大。
图3 不同跌坎深度下底板中轴线时均动水压力分布比较
Fig. 3 Time-average dynamic pressure of bottom in different drop depths
图4 在不同入池水流弗劳德数Fr0下底板中轴线时均动水压力分布比较
Fig. 4 Time-average dynamic pressure of bottom in different Fr0 values
底板时均动水压力沿程分布还和尾水深度有关, 是在突扩比和跌坎深度一定而入池弗劳德数相同的3 个工况下, 不同的尾水深度对消力池底板时均动水压力分布规律的影响,见图5。消力池底板时均动水压力分布规律与尾水深度无关, 当尾水深度较高时, 消力池底板时均动水压力较大, 是静水压力所致。
图5 各种尾水深度下消力池底板时均动水压力分布比较
Fig. 5 Time-average dynamic pressure of bottom in different tail water levels
通过对图2 至图5 的分析, 可以得出如下规律: 突扩比、跌坎深度和入池水流弗劳德数Fr0 对消力池底板冲击区动水压力分布及其峰值大小有着重要影响, 与尾水深度无关,冲击区动水压力梯度及峰值大小随着突扩比的增大而减小,随着跌坎深度的增大而减小, 随着入池水流弗劳德数Fr0 的增大而增大, 但是三者是相互影响、相互联系的, 也就是说突扩比、跌坎深度、入池水流弗劳德数Fr0在一定的优化组合下, 才能使得消力池底板冲击区动水压力梯度及峰值最小,跌坎深度为6cm, 入池弗劳德数Fr0 相同, β= 2 时消力池底板冲击区动水压力峰值反而大于β=1. 6 时的底板冲击区动水压力峰值, 前者在消力池10~ 20cm 之间的压力梯度大于后者的相应区域的压力梯度, 见图6。
图6 d= 6cm, 各种突扩比下底板中轴线动水压力分布比较
Fig. 6 Time-average dynamic pressure of bottom in different expansion ratios (d=6 cm)
4 跌坎面压力分布
跌坎面上的动水压力受底滚旋涡和边墙回流区的影响比较大, 底滚和边墙回流区作用越强, 跌坎面上动水压力变幅就越大, 跌坎面上的时均动水压力分布类似于消力池内横向水位分布, 由于回流区的作用, 使得消力池内横向水位中间低、两侧高, 所以跌坎面上的动水压力分布同样受消力池内横向水位的影响, 见图7。
图7 消力池跌坎面上时均动水压力分布
Fig. 7 Time-average dynamic pressure of step-down side
5 边墙压力分析
边墙上时均动水压力分布主要受边墙回流区的影响, 边墙回流区作用越强, 边墙上时均动水压力的变幅就越大, 见图8。边墙动水压力分布曲线在消力池突扩断面处动水压力增大, 主要原因是反向流区的水流运动到突扩断面处, 水流转向, 流线弯曲, 水流流速降低, 流速水头一部分转化为压力水头, 使得突扩断面处跌坎面和边墙处的动水压力增大, 一部分维持旋转水体继续运动; 在距突扩断面70 cm(即回流区末端) 处动水压力增大, 主要原因是, 在宽度有限的消力池中, 行径水流逐渐靠近边墙, 而边墙又阻碍了行径水流横向扩散的发展, 当水流行近边墙时, 部分动能转化为压能和位能, 使得边墙处的动水压力增大; 在消力池10~ 40 cm 之间动水压力较小的区域基本上位于回流区, 最小的动水压力位于20 cm左右, 与回流区中心基本上位于同一横断面, 与回流区中心位于同一横断面上的边墙处的回流流速最大, 由能量守恒可知, 流速水头越大, 压力水头就越低, 所以与回流区位于同一横断面上边墙处动水压力最小, 也是边墙容易出现负压和空蚀破坏的位置, 需要加以防护。
图8 消力池边墙时均动水压力分布
Fig. 8 Time-average dynamic pressure of aside abutment wall
6 结语
消力池底板上出现了动水压力冲击区, 压力的最大值出现在冲击区, 压力最小值出现在底滚回流区, 随着突扩比、跌坎深度、入池水流弗劳德数Fr 0 和尾水深度的变化, 压力冲击区变得不是很明显; 跌坎面上的动水压力受底滚旋涡的影响比较大, 旋滚作用越强, 跌坎面上的压力变幅就越大; 边墙上的动水压力主要受回流区和行径流区的影响, 压力的最小值出现在回流区旋涡与边墙相切处, 压力的最大值出现在行径流区与边墙交汇处。
作者简介: 陈朝(1983-) , 男, 黑龙江哈尔滨人, 硕士研究生, 主要从事工程水力学及其科学试验。
