摻氣折流器對側(cè)空腔和底空腔長度的影響

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摘要：在突擴突跌摻氣設施中，為保證摻氣效果，增加底空腔的長度，加設折流器是有效的工程措施。試驗證明，折流器坡度和高度對空腔長度均有影響，較高的折流器增加空腔長度明顯，且使底空腔與側(cè)空腔貫通，有利于底空腔充分摻氣。回溯水流使底空腔變短，有效空腔長度是影響摻氣效果的重要因素。在空腔長度的計算中應綜合考慮，頂板坡角，跌坎挑角和折流器體型的影響，得出的計算公式有實際應用和理論意義。

　　關鍵詞：摻氣 折流器 底空腔 側(cè)空腔 射流

　　對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。利用突擴突跌摻氣設施一方面可以滿足摻氣減蝕的要求，另一方面適合于偏心鉸弧門采用同曲面液壓密封框止水，可保證閘門止水的安全可靠和優(yōu)良運行。但突擴摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗和理論依據(jù)，在國內(nèi)外已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。因此通過試驗來研究突擴突跌摻氣水流的規(guī)律，在側(cè)墻加設折流器后對空腔特性、壓力分布、摻氣濃度所造成的影響等有現(xiàn)實意義。

　　1 試驗方案及設備

　　試驗研究在三峽工程泄洪深孔突擴突跌摻氣水工模型上進行。模型按重力相似準則設計，模型比尺為1∶25，模型最大流量為350L/s，出口斷面流速為4.5 ～7 m/s，F(xiàn)r=2.47～3.59，Re=1.7×10⁶～2.4×10⁶，W_b=330～490.模型側(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均壓力測孔、脈壓測孔、摻氣濃度感應片。摻氣通氣孔風速用熱球式風速儀測量，摻氣濃度用中國水利水電科學院研制的848型摻氣濃度儀量測。

　　為探討側(cè)向折流器不同高度和體型對側(cè)墻和底板各摻氣水力要素的影響，試驗研究比較了6種方案。

　　2 試驗結(jié)果及分析

　　2.1 流態(tài) 由于側(cè)向突擴，水流從有壓段出口流出后向四周擴散，由二維流動變?yōu)檩^復雜的三維流動。擴散水流撞擊側(cè)墻后，向上擴散的水流形成水翅，向下擴散的水流形成水簾。水翅回落至正常水面后在其下游又會激起沖擊波，流態(tài)較復雜，水翅過高也會沖擊門鉸。向下擴散的水簾增加底空腔的回溯水流，減小了底空腔長度。

　　側(cè)向突擴水流對側(cè)墻的影響可大致分為4個區(qū)域，即空腔區(qū)、壓力驟變區(qū)、低壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，Lb為底空腔長度，Lr為有效底空腔長度，Ls為側(cè)空腔長度。

　　試驗中定義沿側(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度為水翅長度Lf.空腔區(qū)是自水流脫離孔口側(cè)壁起至水股在下游與側(cè)墻相交處的水平距離。

　　水翅最高點位置，隨庫水位的升高向下推移。水翅最大高度與水翅長度，隨庫水位升高而明顯加大，其與折流器的高度也有關，但與折流器坡度沒有明顯的相互關系。

　　值得注意的是，當折流器高度較小時，側(cè)空腔長度變小，孔口出流與突擴側(cè)墻的沖擊角變大，產(chǎn)生一股斜角向下的白色逆向水射流，直接沖擊弧形止水道。這種現(xiàn)象一般在折流器高度小于一半孔口高度時較多發(fā)生，白色逆向水射流的沖擊點高程與折流器高度有關。

　　當折流器高度超過一半孔口時，側(cè)空腔加長，孔口出流與側(cè)墻沖擊角變小，逆向水射流減弱，此時由于沖擊點向下游推移，逆向水射流對弧形止水道邊構不成威脅。

　　2.2 側(cè)空腔長度

　　側(cè)空腔長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，出流的橫向擴散沿水流方向逐漸加強，因此出流與側(cè)墻的沖擊交點與孔口的距離并不相等。未加折流器時，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)墻的沖擊交點的水平距離為側(cè)空腔長度，各方案的試驗結(jié)果。

　　可以看出，加設折流器可以加長側(cè)空腔長度，其與折流器高度有關。高度超過孔高一半以上的折流器對加長側(cè)空腔長度有明顯效果，相反，高度低于孔高一半的折流器，與無折流器相比，由于對孔口底部水流橫向擴散約束影響，反而縮短了側(cè)空腔長度。

　　2.3 底空腔長度

　　2.3.1 底空腔長度試驗結(jié)果

　　空腔長度越長，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此?？涨坏拈L短是衡量各種方案優(yōu)劣的重要指標。

　　孔口出流脫離跌坎后，水舌底緣沿程紊動擴散，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，這給底空腔長度的量測造成困難，對水舌底緣的判斷不同，測量結(jié)果差異較大。文獻[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，通過量測摻氣濃度分布來確定底空腔長度，顯然這種方法費時費力，后來產(chǎn)生出通過量測底板時均壓力來確定底空腔長度的方法，用P=0.4（Pmax-Pca）的位置來確定底空腔長度，式中：Pmax為底板上的最大時均壓力，為Pca空腔中的最小壓力。也有人直接用底板時均壓力最大點的位置來確定底空腔長度。

　　根據(jù)本試驗直接觀測到的底空腔長度數(shù)據(jù)與上述兩種方法出入較大，而與下式表達的底板時均壓力吻合。

　　P=0.75Pmax （1）

　　大量試驗表明，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，實際凈空腔的長度遠小于底空腔的長度。因此采用底空腔長度Lb來說明摻氣能力是不夠全面的，有效空腔長度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資料[3]也表明，原型水舌下緣漩滾強度和回溯水流比模型更加嚴重。所以采用有效空腔長度來作為設計摻氣設施的依據(jù)是安全的。

　　有效空腔長度的量測，與用底板時均壓力大小來確定空腔長度的方法進行對比分析發(fā)現(xiàn)，有效空腔長度值較符合下式表述的底板時均壓力值。

　　P=0.18Pmax （2）

　　可以看出，空腔長度和有效空腔長度，在一定程度上受折流器的影響，折流器越高，空腔長度越長，有折流器的方案比沒有折流器的方案空腔長度增加明顯。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 底空腔長度的計算

　　目前有各種計算空腔長度的計算公式，但適用于突擴突跌摻氣設施底空腔長度計算的公式很少，能反映折流器對空腔長度影響的計算公式更是罕見，本文擬在這方面作一探討。

　　通常計算底空腔長度以拋射體理論作為重要的理論依據(jù)。將坐標原點放在跌坎末端，水平下游方向為x軸正向，y軸垂直向下，則有

　　式中：L_b為底空腔長度；y₀為跌坎頂至跌坎與明槽底坡延長線交點底距離；α為下游明槽與水平面的夾角，向下為正；β為射流實際拋射角向下為正；u為坎上水流平均流速。

　　用式（6）計算出的底空腔長度L_b與實測的L_b有較大的出入，因此必須進行修正。對于β的選擇各有不同，文獻[3]直接把有壓洞出口頂板壓坡角θ₁當作β；文獻[4]考慮θ1的同時引入最大橫向脈動流速計算β，但未考慮跌坎挑角θ₂的影響，計算誤差較大；文獻[5]考慮了挑角θ₂但未考慮θ1的影響。在壓力洞出口與跌坎的水平距離較短的條件下，應同時考慮θ₁和θ₂的影響。本文對β作如下的假設：

　　確切地說，底空腔的摻氣量是與有效空腔長度有關，絕大部分摻氣是在有效空腔內(nèi)實現(xiàn)的。因此有效空腔長度的估算，對一個摻氣設施來說更有意義。

　　假設沖擊速度等于坎頂平均流速，將坐標原點設在挑坎末端，則由式（3），（4），（10）得射流與明槽底板的沖擊角為

　　γ=arctan（tanβ+g′L_b/u²cos2β）-α。 （11）

　　設底空腔末端坐標為y1，漩滾回水面與水舌底緣相交點的坐標為y2，則：

　　y_b=y₁-y₂. （12）

　　yb一般與水舌厚度（可取為孔出口斷面高度h），水流速度u（取坎頂平均流速），水流密度ρ，重力加速度g，射流與底板沖擊角γ，空腔負壓Pca（米水柱）有關。應用因次分析和試驗結(jié)果得：

　　在不同庫水位條件下，6個方案按式（15）計算結(jié)果，計算值和試驗量測值對比。

　　3 結(jié)語

　　為保持穩(wěn)定的側(cè)空腔與底空腔。折流器的高度和坡度對空腔長度均有影響，采用較高的折流器，能有效地增加底空腔和側(cè)空腔長度。不僅如此，試驗觀測也證明，加設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，當折流器高度小于孔口高度一半時，孔口出流與突擴側(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，底空腔長度變短，直接影響摻氣減蝕效果。正確區(qū)分和計算空腔長度和有效空腔長度是評價一個摻氣方案的關鍵。本文根據(jù)底板最大時均壓力來判斷兩種空腔長度的經(jīng)驗關系式（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算空腔長度式（10）、（15），有實際應用和理論意義。

　　參 考 文 獻：

　　[1] 潘水波。通氣挑坎射流的摻氣能力[J].水利學報，1980，（5）： 25-27.

　　[2] 時啟燧。通氣減蝕挑坎水力學問題的試驗研究[J].水利學報，1984， （3）： 33-34.

　　[3] 長委設計院樞紐處。三峽工程泄洪深孔突擴突跌式摻氣設施研究成果[R].武漢：長江水利委員會設計院，1996.

　　[4] 水利部長江水利委員會。長江三峽水利樞紐表孔和深孔體型優(yōu)化專題報告[R].武漢：長江水利委員會， 1996： 22-23.

　　[5] 于琪洋。挑坎型摻氣減蝕措施過流摻氣特性研究[D].北京： 清華大學，1993.

　　[6] Chanion H. Study of Air Entrainment and Aeration Devices[J].IAHR， HydrRes 1989， 27： 56-57.