低弗勞德數(shù)下挑坎體型對摻氣的影響試驗(yàn)

沈春穎,徐一民,張 濤,儲威威

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南昆明 650093;2.云南經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院,云南昆明 650106)

摻氣減蝕的試驗(yàn)研究一直是高速水力學(xué)重點(diǎn)關(guān)注的課題,但大部分研究都是結(jié)合具體的工程和水工模型試驗(yàn),得出的經(jīng)驗(yàn)公式往往也只針對某些具體的工程。過流邊界條件改變,坎后的水流摻氣特性及回水規(guī)律都有較大的變動,特別當(dāng)水槽坡度較小時,坎后回水問題較為嚴(yán)重,此時挑坎的體型成為坎后摻氣空腔長度及回水深度的關(guān)鍵性因素。本試驗(yàn)旨在研究在小底坡低弗勞德數(shù)水流條件下,坎后空腔長度及空腔回水問題。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)水利水電工程系水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的雙變坡有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行,該玻璃水槽可自動調(diào)節(jié)出0°～5.5°的坡度,本次試驗(yàn)中,上下游底坡坡度相同。全槽長 7.6 m,寬10 cm,邊壁高為30cm。水槽流量用進(jìn)水閥門調(diào)節(jié),來流量的范圍為0～5500cm3/s,出口處連接一直角三角形薄壁堰,用測針測量并用進(jìn)水閥門控制出流量的大小。目前常用的摻氣設(shè)施有摻氣挑坎、摻氣槽、摻氣跌坎及復(fù)合式摻氣設(shè)施,由于設(shè)備的限制,試驗(yàn)采用摻氣挑坎作為摻氣設(shè)施為宜。同時設(shè)計出9種不同體型的挑坎模型,置于有機(jī)玻璃水槽的下游段,為保證最大空腔長度的完整性及考慮回水等的影響,挑坎與水流出口處距離為2.8m。一般認(rèn)為Fr＜7為低弗勞德數(shù),試驗(yàn)Fr的范圍是在2.4～4。圖1為試驗(yàn)所采用的摻氣挑坎示意圖,其中α為水槽底坡,β為摻氣挑坎的挑角,L為空腔長度,d為空腔回水深度,Δ為挑坎高度,v為坎上流速,h為坎上水深,Φ1為射流水舌沖擊角。

圖1 摻氣挑坎示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

摻氣坎的選擇原則最關(guān)鍵的是在各種試驗(yàn)工況下保持坎后空腔穩(wěn)定,否則特征水力參數(shù)將無法測量,達(dá)不到挑坎的摻氣效果;其次摻氣坎模型的體型要合適,符合工程運(yùn)用規(guī)范,有一定的實(shí)用價值,同時在試驗(yàn)前要考慮許多因素:

a.挑坎體型的確定。工程實(shí)際中采用的挑坎坡度變化范圍很小,在1∶5～1∶15之間,經(jīng)綜合考慮,試驗(yàn)采用1∶5,1∶7,1∶10共3 種挑坎坡度;根據(jù)有機(jī)玻璃水槽的邊壁高度,設(shè)計了3種挑坎高度(1cm,2cm,3cm),組合后共有9種不同的挑坎模型。

b.水槽底坡的確定。根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件,調(diào)節(jié)雙變坡有機(jī)玻璃水槽,確定了3種不同水槽底坡i=0.070(α=4°),0.087(α=5°),0.096(α=5.5°)。

c.根據(jù)挑坎和玻璃水槽坡度的關(guān)系調(diào)試出了6種比較合適的流量(524 3cm3/s,4361cm3/s,3440cm3/s,2662cm3/s,2171cm3/s,1707cm3/s),并采用直角三角形薄壁堰、測針及進(jìn)水閥門控制流量的大小。

d.通氣孔大小的確定。為達(dá)到最好的摻氣效果(充分通氣),在坎后左右兩側(cè)對稱設(shè)置通氣孔,是開口尺寸為直徑8mm的圓孔。

2 試驗(yàn)成果分析

在對摻氣坎的研究中,摻氣坎后的空腔形態(tài)及水力特性,特別是空腔長度,是檢驗(yàn)摻氣效果最重要的指標(biāo),在工程上,影響著摻氣量及摻氣設(shè)施的有效保護(hù)范圍。

2.1 不同挑坎坡度下空腔長度隨流量的變化規(guī)律

圖2為相同水槽底坡與挑坎高度、不同挑坎坡度下,空腔長度隨流量變化的關(guān)系圖,可見,隨著流量的增加,空腔長度也增加。當(dāng)流量、水槽底坡、挑坎高度相同的情況下,挑坎坡度越大,空腔長度也越大。例如:在 Q=4361cm3/s,i=0.070,Δ=1cm時,挑坎坡度為1∶5,1∶7,1∶10對應(yīng)的空腔長度分別為10.50cm,9.20cm,8.30cm。由圖 2可見,若流量、水槽底坡、挑坎坡度相同,則挑坎高度越高,空腔長度越長。從空腔長度變化快慢可以看出,挑坎高度對空腔長度的影響比挑坎坡度要大得多,并且挑坎高度從1cm變化到2cm,對空腔長度的影響比從2cm變化到3cm大,說明通過改變挑坎高度來改善空腔的形態(tài)并不是越高越好,而是有一定的范圍限制。因?yàn)樘艨哺叨鹊脑黾优c回水深度的減小并不成正比。

在低弗勞德數(shù)情況下,相同流量、相同水槽底坡下,空腔長度隨坎上水深增加而增加,而隨著流速和弗勞德數(shù)的增加而減小。說明在低弗勞德數(shù)下,空腔長度增加的趨勢與坎上水深的增加趨勢一致,水流重力的影響對空腔長度的變化起了決定性的作用。

2.2 空腔回水深度隨流量的變化規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn),在小底坡的情況下設(shè)置摻氣坎,摻氣空腔內(nèi)回水程度較為嚴(yán)重[7]。試驗(yàn)確定的3種水槽底坡0.070,0.087,0.096都小于0.1,一般認(rèn)為底坡在0.1以內(nèi)為小底坡。對于一坡到底的過流邊界,坡度越小,越容易產(chǎn)生空腔回水,研究空腔回水深度具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。影響空腔回水的因素具體包括:摻氣坎體型、來流流量、來流弗勞德數(shù)、水槽底坡以及射流水舌沖擊角等。圖3為水槽底坡i=0.070時試驗(yàn)所測得的空腔內(nèi)回水深度與下泄流量的關(guān)系,其他工況的情形與之類似。

圖2 不同挑坎坡度下空腔長度與流量的關(guān)系(i=0.070)

圖3 不同挑坎坡度下空腔回水深度與流量的關(guān)系(i=0.070)

由圖3可以看出,挑坎高度不變時,總體上空腔回水深度隨流量增大而減小,但其變化趨勢是非線性的,其中流量較小時隨流量的增加,空腔回水深度還會局部增大。摻氣挑坎坡度越大,空腔回水深度越小,坎高為2 cm和3 cm時較為明顯,坎高為1 cm時,由于回水深度總體太小,測量誤差增大,試驗(yàn)值規(guī)律不好。挑坎高度對空腔回水深度的影響較為顯著,相同流量時,坎高越大,空腔回水深度也越大,如為1cm時,最大回水深度僅為0.7cm,而同樣流量下坎高為3cm時,最大空腔回水深度卻達(dá)到1.85 cm,但結(jié)合最高點(diǎn)的凈空腔高度值可以看出隨著挑坎高度的增大,凈空腔高度是增加的,即空腔回水深度占整個空腔高度的比例是下降的。同挑坎高度(1cm,2cm,3cm)時空腔回水深度與射流水舌沖擊角的關(guān)系。從圖4上不難看出:射流水舌沖擊角越大,空腔回水深度越大,有效空腔長度越短。對于不同的挑坎坡度,相同的來流量下,挑坎坡度越大,空腔回水深度越小。相同條件下,挑坎高度越高,空腔回水深度也越大,但占整個空腔的高度的比例卻是下降的。在本試驗(yàn)條件下,射流水舌沖擊角5.5°時已出現(xiàn)空腔回水,所以說,臨界射流水舌沖擊角對所有體型的摻氣坎都不是一個不變的定數(shù)。顯然,空腔回水的出現(xiàn)與射流水舌沖擊角密切相關(guān),但歸根結(jié)底還是與來流條件、水槽底坡、摻氣坎體型的確定有關(guān)。

3 結(jié) 論

2.3 射流水舌沖擊角與空腔回水深度的關(guān)系

圖4 不同挑坎坡度下空腔回水深度與射流水舌沖擊角的關(guān)系(i=0.070)

摻氣挑坎后水舌落點(diǎn)下緣與水槽底板間的夾角稱為射流水舌沖擊角。水舌沖擊角決定了摻氣坎后挑流水舌作用于水槽底板的方向,因而控制著挑流水舌沖擊水槽底板對水流動量的方向。由于射流水舌沖擊角通過影響水流動量來影響空腔回水,因此射流水舌沖擊角是影響空腔回水程度的一個重要因素。一般認(rèn)為射流水舌沖擊角越大,越容易產(chǎn)生嚴(yán)重的空腔回水,射流水舌沖擊角減小,則空腔回水減弱。圖4是在相同水槽底坡(i=0.070)下,選取不

a.在其他條件不變的情況下,來流量與空腔長度成正比,挑坎高度對空腔長度的影響比挑坎坡度要大得多。

b.流量越大,空腔回水深度越小。挑坎坡度越大,空腔回水深度也相應(yīng)減小,但空腔回水深度卻是隨著挑坎高度的增加而增加,說明挑坎高度的增加與回水深度的減小并不成正比。

c.在試驗(yàn)條件下,射流沖擊角為5.5°時已出現(xiàn)空腔回水?？涨换厮某霈F(xiàn)與射流水舌沖擊角密切相關(guān),但歸根結(jié)底還是與來流條件、水槽底坡、摻氣坎體型的確定有關(guān)。

[1]徐一民,王韋,許唯臨,等.摻氣坎(槽)射流空腔長度的計算[J].水利水電技術(shù),2004,35(10):7-9.

[2]WU Jian-hua,RUAN Shi-ping.Emergence angle of flow over an aerator[J].Journal of Hydrodynamics:Ser B,2007,19(5):601-606.

[3]楊永森,楊永全,帥青紅.低Fr數(shù)流動跌坎摻氣槽的水力及摻氣特性[J].水利學(xué)報,2000,31(2):27-31.

[4]張立恒,許唯臨.摻氣減蝕設(shè)施空腔回水問題的試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2006,6(15):2387-2389.

[5]王海云,戴光清,張建民,等.高水頭泄水建筑物摻氣設(shè)施研究綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2004,24(4):46-49.

[6]楊永森,楊永全.摻氣減蝕設(shè)施體型優(yōu)化研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2000,11(2):144-147.

[7]羅永欽,張紹春.摻氣坎空腔回水問題分析[J].云南水力發(fā)電,2009,25(3):40-41.

[8]張麗,謝偉,黃曉玲.高水頭泄水建筑物的摻氣減蝕試驗(yàn)[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報,1998,19(1):7-11.

[9]吳持恭.高速水力學(xué)研究的進(jìn)展[J].大自然探索,1992,11(3):100-105.

[10]徐一民,王韋,許唯臨,等.摻氣坎射流空腔積水計算[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2008,18(5):591-595.

[11]劉超,張光科,張光碧,等.小底坡、低Fr數(shù)泄洪洞摻氣坎體型優(yōu)化研究[J].四川大學(xué)學(xué)報:工程科學(xué)版,2007,39(2):30-35.

[12]徐一民,趙偉,楊紅宣,等.摻氣挑坎、水流佛氏數(shù)及坎后空腔負(fù)壓對空腔積水的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報,2010,29(2):15-20.

[13]張挺,許唯臨.帶摻氣槽岸邊溢洪道挑流消能工水力特性[J].水利水電科技進(jìn)展,2011,31(2):28-33.