水躍摻氣池的摻氣特性

吳建華,韓東旭,周 宇（河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098）

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水躍摻氣池的摻氣特性

吳建華,韓東旭,周 宇
（河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098）

摘要:針對(duì)大單寬流量下傳統(tǒng)階梯溢洪道因流動(dòng)水深增加,摻氣不足,導(dǎo)致極易發(fā)生空蝕破壞和消能率降低的問(wèn)題,提出了一種通過(guò)水躍摻氣池對(duì)階梯溢洪道流動(dòng)提供摻氣的水躍摻氣階梯溢洪道,采用物理模型試驗(yàn)方法,詳細(xì)研究了水躍摻氣池的摻氣特性,包括來(lái)流條件、摻氣池長(zhǎng)度、摻氣池尾坎高度、水躍流態(tài)對(duì)摻氣特性的影響。結(jié)果表明:在現(xiàn)在的研究范圍內(nèi),在摻氣池內(nèi)和摻氣池尾坎后的區(qū)域,無(wú)論是底板還是邊墻淹沒(méi)水躍流態(tài)都有較好的摻氣效果;前述流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)影響水躍流態(tài)影響摻氣效果,在利用水躍摻氣池對(duì)階梯溢洪道水流摻氣時(shí),流態(tài)的控制是重要的。

關(guān)鍵詞:水躍摻氣池;階梯溢洪道;摻氣特性;流態(tài);模型試驗(yàn)

階梯溢洪道因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且消能率高而應(yīng)用廣泛[1-2]。然而,工程實(shí)踐表明,當(dāng)單寬流量大于50～60m3/（s·m）時(shí),由于水深大幅增加,摻氣起始斷面下移,致使流動(dòng)摻氣不足,溢洪道的階梯面極易發(fā)生空蝕破壞,并且消能率降低[3-5]。

階梯溢洪道上的流動(dòng)通常有3種流態(tài),隨著流量的增加,依次表現(xiàn)為:跌落流動(dòng)（nappe flow）、過(guò)渡流動(dòng)（transition flow）和滑行流動(dòng)（skimming flow）[6]。在大單寬流量（大于60m3/（s·m））下,一般呈滑行流動(dòng)流態(tài)。

為了減輕大單寬流量下流動(dòng)摻氣不足引起的空蝕破壞,提高消能效果,近十年來(lái)在階梯溢洪道流動(dòng)摻氣方面開(kāi)展了一系列的研究工作。主要包括3個(gè)方面:①在首級(jí)階梯之前,利用折流器形式的前置摻氣坎對(duì)流動(dòng)進(jìn)行預(yù)摻氣[3-4,7-8]；②在首級(jí)階梯的立面加設(shè)輔助裝置,對(duì)流動(dòng)摻氣[9-10]；③在首級(jí)階梯之前,加設(shè)挑流裝置,利用摻氣池的漩渦滾動(dòng)使流動(dòng)摻氣,為階梯溢洪道提供摻氣水流[5,11]。前2種摻氣方法對(duì)流動(dòng)有明顯的摻氣效果,摻氣起始斷面有一定的上移；但是,在大單寬流量下,前級(jí)階梯上的流動(dòng)仍然存在一定的摻氣盲區(qū)。第3種摻氣池?fù)綒夥椒?可以有效地減少前2種方法的摻氣盲區(qū),從階梯溢洪道第1級(jí)階梯開(kāi)始,就可以獲得充分的摻氣水流,但是,摻氣池結(jié)構(gòu)和水流流態(tài)相對(duì)復(fù)雜。

筆者提出了一種水躍摻氣階梯溢洪道結(jié)構(gòu)（圖1）,利用水躍摻氣為階梯溢洪道提供摻氣水流。水躍摻氣階梯溢洪道包括進(jìn)流段、摻氣池和階梯溢洪道3個(gè)部分,在進(jìn)流段和摻氣池,通過(guò)水躍漩滾使流動(dòng)摻氣,對(duì)后續(xù)階梯溢洪道提供摻氣水流。通過(guò)物理模型試驗(yàn),重點(diǎn)研究這種水躍摻氣池的摻氣特性,包括不同來(lái)流條件（單寬流量、弗勞德數(shù)）、不同摻氣池長(zhǎng)度和不同摻氣池尾坎高度對(duì)摻氣池內(nèi)水流和出池水流摻氣特性的影響。

圖1 水躍摻氣階梯溢洪道結(jié)構(gòu)原理示意圖

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在河海大學(xué)高速水流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)裝置包括地下水庫(kù)、水泵電機(jī)、閥門(mén)、進(jìn)水管道、水平矩形水槽、出水管道、電子流量計(jì)和水躍摻氣池。模型由有機(jī)玻璃制作。水槽長(zhǎng)25.00m,寬0.50m,高0.60m。試驗(yàn)最大來(lái)流流量QM=115.00×10-3m3/s,單寬流量qM=230.00×10-3m3/（s·m）。按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)定模型比尺為1∶70,則原型最大流量QP=4714.58m3/s,最大單寬流量qP=134.70m3/（s·m）。

圖2是水躍摻氣池模型試驗(yàn)流動(dòng)平面示意圖,試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀蒞ES型溢流堰、水躍摻氣池和水平出池段組成。坐標(biāo)系原點(diǎn)位于WES型溢流堰的最低點(diǎn)位置,x軸沿流動(dòng)方向水平布置。圖中P為溢流堰高,P=0.36m,lP為摻氣池長(zhǎng)度,sP為摻氣池尾坎高度,H為堰上水頭,h0和v0分別是溢流堰下最低點(diǎn)位置處的流動(dòng)水深和平均流速。水流在高度為H的水頭作用下,通過(guò)溢流堰進(jìn)入水躍摻氣池,在水躍漩滾的作用下,通過(guò)表面摻氣為出池流動(dòng)提供摻氣水流。在本文的研究中,盡可能減薄水躍摻氣池尾坎的厚度,不考慮尾坎厚度對(duì)摻氣特性的影響。

圖2 流動(dòng)平面示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

表1是摻氣池的結(jié)構(gòu)參數(shù),包括2個(gè)系列5個(gè)方案。方案M21、M22和M23研究不同摻氣池長(zhǎng)度的影響,方案M23、M13和M33研究不同摻氣池尾坎高度的影響。試驗(yàn)在5種不同流量下進(jìn)行,Fr=4.50～1.88,相應(yīng)原型的單寬流量qP有5級(jí),分別為60.00m3/（s·m）、90.00m3/（s·m）、110.00m3/（s·m）、120.20m3/（s·m）和134.70m3/（s·m）。

表1 摻氣池結(jié)構(gòu)參數(shù)　m

采用CQ-2005型摻氣濃度儀,測(cè)量不同來(lái)流條件、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí),摻氣池內(nèi)和摻氣池后底板及邊墻的摻氣濃度。對(duì)不同的摻氣池結(jié)構(gòu),以摻氣池尾坎為基準(zhǔn),在摻氣池內(nèi)底板和邊墻上各布置4個(gè)摻氣測(cè)點(diǎn),在摻氣池后的底板和邊墻各布置5個(gè)摻氣測(cè)點(diǎn),間距均為0.10m,底板上測(cè)點(diǎn)位于水槽的中線位置,邊墻上的測(cè)點(diǎn)距底部高度為0.05m。在測(cè)量摻氣濃度時(shí),分別記錄5次,取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的摻氣濃度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 流態(tài)描述

水躍區(qū)由于強(qiáng)烈紊動(dòng)和漩滾,具有良好的消能和摻氣特點(diǎn)[12-13]。圖3給出了在不同來(lái)流弗勞德數(shù)下水躍摻氣池流態(tài)變化的典型情況（以方案M23為例）。隨著水頭H的增加,Fr從4.33逐步減小到1.96,單寬流量qP從60.00m3/（s·m）增加到134.70m3/（s·m）,流態(tài)呈淹沒(méi)水躍、臨界水躍、遠(yuǎn)驅(qū)水躍和波型流動(dòng)變化。

當(dāng)Fr=4.33時(shí),摻氣池內(nèi)呈淹沒(méi)水躍（圖3 （a））,此時(shí)水深h0較小,除溢流堰堰腳局部位置,水躍漩滾摻氣基本可以達(dá)到摻氣池的底部,水體呈白色,摻氣池內(nèi)和池后摻氣效果較好。

當(dāng)Fr=3.34時(shí),躍首大致位于收縮斷面,呈臨界水躍（圖3（b））,此時(shí)水深h0略有增加,在水躍躍首底部局部區(qū)域,主流下潛至池底,出現(xiàn)清水底層；水躍漩滾區(qū)域向后移動(dòng)。

當(dāng)Fr=2.34時(shí),出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍（圖3（c））,水躍漩滾區(qū)越過(guò)摻氣池尾坎向下游推移,主要摻氣水流發(fā)生在尾坎之后。

當(dāng)Fr=2.10時(shí),出現(xiàn)波型流動(dòng)（wave-type flow）[14]（圖3（d））,摻氣池內(nèi)基本呈清水狀態(tài)（水體透明）,水躍區(qū)越過(guò)尾坎,在強(qiáng)烈摻氣的同時(shí),伴有波浪的出現(xiàn)。當(dāng)Fr=1.96時(shí),流態(tài)仍然是波型流動(dòng),水躍區(qū)略向下游移動(dòng)（圖3（e）,其他特征基本與Fr=2.10的情況類(lèi)似。

圖3 摻氣池水躍流態(tài)（方案M23）

2.2 來(lái)流Fr對(duì)摻氣濃度的影響

從圖4（a）可以看到,隨著水頭的增加,來(lái)流Fr降低,流態(tài)由淹沒(méi)水躍逐漸發(fā)展為波型流動(dòng)（圖3）,底板各個(gè)位置處的摻氣濃度逐漸降低?？傮w來(lái)說(shuō),摻氣池尾坎后的摻氣濃度大于池內(nèi)濃度,在某一位置達(dá)到較大值。就不同流態(tài)的摻氣效果而言,相比其他流態(tài),淹沒(méi)水躍有較好的摻氣效果。當(dāng)Fr≤2.34,出現(xiàn)明顯的遠(yuǎn)驅(qū)水躍或波型流動(dòng),水躍區(qū)向下游發(fā)展,池內(nèi)底板摻氣較弱,但尾坎后的流動(dòng)中仍有良好的摻氣效果。

圖4 不同F(xiàn)r時(shí)摻氣濃度沿程分布（方案M23）

就邊墻摻氣而言（圖4（b））,與底板摻氣類(lèi)似,隨著水頭的增加,來(lái)流Fr降低,各個(gè)位置處的摻氣濃度逐漸降低。然而,在摻氣池內(nèi),當(dāng)Fr=4.33和3.44時(shí),由于邊墻摻氣測(cè)點(diǎn)的位置均處于水躍的漩滾區(qū)（測(cè)點(diǎn)距底部0.05m）,摻氣強(qiáng)烈,摻氣濃度較高。在尾坎下游,各點(diǎn)的摻氣濃度大致與底板摻氣濃度相當(dāng)。

由圖3和圖4可知,相比其他流態(tài),淹沒(méi)水躍流態(tài)下,無(wú)論是底板還是邊墻,摻氣池內(nèi)和尾坎后均有較好的摻氣效果。圖5給出了方案M33在不同來(lái)流Fr下的流態(tài),與圖3中方案M23相比,方案M33的尾坎高度由sP=0.065m增加到0.080m,使得在各作用水頭下,均能形成淹沒(méi)水躍的流態(tài)。圖6是不同F(xiàn)r時(shí)摻氣池內(nèi)和尾坎后底板及邊墻的摻氣濃度沿程分布?？傮w而言,由于流動(dòng)處于淹沒(méi)水躍流態(tài),即使在Fr≤2.42時(shí),摻氣池內(nèi)底板上都有良好的摻氣效果；在尾坎后,摻氣濃度也有明顯的增加。

2.3 摻氣池長(zhǎng)度對(duì)摻氣濃度的影響

設(shè)置水躍摻氣池的目的是希望為其后的階梯溢洪道提供良好的摻氣水流,以提高階梯溢洪道在大單寬流量下的消能率和避免空蝕破壞,因此,摻氣池尾坎后流動(dòng)的摻氣特性是研究關(guān)注的重要方面。圖7給出了不同摻氣池長(zhǎng)度時(shí)摻氣池尾坎后底板和邊墻摻氣濃度的變化（qP=110.00m3/（s·m））。可以看到,無(wú)論是底板還是邊墻,隨著距離X的增加,摻氣濃度逐步增大,在X=0.56～0.78時(shí),摻氣濃度達(dá)到最大值。此外,在摻氣池長(zhǎng)度lP=0.5～0.7m的范圍內(nèi),在qP=110.00m3/（s·m）時(shí),試驗(yàn)觀測(cè)到流動(dòng)屬于淹沒(méi)水躍或遠(yuǎn)驅(qū)水躍,但摻氣池尾坎后流動(dòng)在底板和邊墻上仍然具有較好的摻氣效果。

圖5 摻氣池水躍流態(tài)（方案M33）

同時(shí)也注意到,隨著摻氣池長(zhǎng)度的增加,底板同一位置處的摻氣濃度略有增加；而在邊墻處,較短的摻氣池有略高一點(diǎn)的摻氣濃度。尾坎后底板和邊墻的摻氣濃度特性與摻氣池的水躍流態(tài)有密切的關(guān)系。

2.4 尾坎高度對(duì)摻氣濃度的影響

圖8給出了摻氣池尾坎后底板和邊墻處摻氣濃度隨尾坎高度的變化（qP=110.00m3/（s·m））?？梢钥吹?在lP=0.7m的條件下,增加尾坎高度無(wú)論對(duì)于底板還是對(duì)于邊墻,都可以有效地增大尾坎后流動(dòng)的摻氣濃度,從流態(tài)照片（圖5）也可以看到,此時(shí),不僅在池內(nèi)有良好的淹沒(méi)水躍流態(tài),尾坎后也有良好的摻氣效果。

圖6 不同F(xiàn)r時(shí)摻氣濃度沿程分布（方案M33）

圖7 摻氣濃度隨摻氣池長(zhǎng)度的變化（q=110.00m3/（s·m））

3 結(jié) 論

為拓寬階梯溢洪道的單寬流量,同時(shí)使階梯溢洪道既有較高的消能率,又能有效避免空蝕破壞,提出了一種通過(guò)前置水躍摻氣池為流動(dòng)提供摻氣的水躍摻氣階梯溢洪道結(jié)構(gòu)形式。

結(jié)果表明,在本文的研究范圍內(nèi),在大單寬流量條件下（qP≥110.00m3/（s·m））,無(wú)論在摻氣池內(nèi)還是在尾坎后,無(wú)論是底板還是邊墻,相比其他流態(tài),淹沒(méi)水躍流態(tài)均具有較好的摻氣效果。摻氣池長(zhǎng)度、尾坎高度以及來(lái)流條件對(duì)水躍摻氣池的流態(tài)有決定性的作用,合理的水躍摻氣池流態(tài)對(duì)階梯溢洪道上流動(dòng)的摻氣是重要的。

圖8 摻氣濃度隨尾坎高度的變化（q=110.00m3/（s·m））

參考文獻(xiàn):

[1] ZARE H K,DOERING J C.Energy dissipation and flow characteristics of baffles and sills on stepped spillways [J].Journal of Hydraulic Research,IAHR,2012,50（2）: 192-199.

[2] CHANSON H.Stepped spillway flows and air entrainment [J].Journal of Civil Engineering,1993,20（3）: 422-435.

[3] PFISTERm,HAGER W H,MINOR H E.Bottom aeration of stepped spillways [J].Journal of Hydraulic Engineering,2006,132（8）: 850-853.

[4]吳守榮,張建民,許唯臨,等.前置摻氣坎式階梯溢洪道體型布置優(yōu)化試驗(yàn)研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版）, 2008, 40（3）: 37-42.（WU Shourong, ZHANG Jianmin,XU Weilin,et al.Experimental investigation on hydraulic characteristics of flow in the pre-aerator stepped spillways[J].Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition）,2008,40（3）: 37-42.（in Chinese））

[5] QIAN S T.Ski-jump-step energy dissipators [C] //Proceedings of the 35th IAHR World Congress.Madrid: [s.n.],2013: 1-6.

[6] CHANSON H.The hydraulics of stepped chutes and spillways[M].Lisse: A A Balkema Publishers,2002.

[7]彭勇,張建民,劉善均,等.前置摻氣坎式階梯溢洪道摻氣水深及消能率的計(jì)算[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20 （1）: 63-68.（PENG Yong, ZHANG Jianmin, LIU Shanjun,et al.Calculation of aerated water depth and energy dissipation rate of a pre-aerator stepped spillway [J].Advances in Water Science,2009,20（1）: 63-68.（in Chinese））

[8]劉善均,朱利,張法星,等.前置摻氣坎階梯溢洪道近壁摻氣特性[J].水科學(xué)進(jìn)展,2014,25（3）: 401-406.（LIU Shanjun,ZHU Li,ZHANG Faxing,et al.Aeration characteristics for skimming flow along the pre-aerator spillways[J].Advances in Water Science,2014,25（3）: 401-406.（in Chinese））

[9] PFISTERm,HAGER W H,MINOR H E.Stepped chutes: pre-aeration and spray reduction[J].International Journal ofmultiphase Flow,2006,32（2）: 269-284.

[10] ZAMORA A S, PFISTERm, HAGER W H, et al.Hydraulic performance of step aerator [J].Journal of Hydraulic Engineering,2008,134（2）: 127-134.

[11] QIAN S T,WU J H,MA F.Ski jump jet in the ski-jump-step energy dissipater [C]//E-proceedings of the 36th IAHR World Congress.Hague,Netherland:[s.n.],2015: 1-5.

[12]gUALTIERI C,CHANSON H.Experimental analysis of Froude number effect on air entrainment in the hydraulic jump[J].Environmental Fluidmechanics,2007,7（3）: 217-238.

[13] CHANSON H.Hydraulic jumps: turbulence and air bubble entrainment[J].La Houille Blanche,2011（3）: 5-16.

[14] HAGER W H,LI Dm.Sill-controlled energy dissipator [J].Journal of Hydraulic Research,1992,30（2）: 165-181.

中圖分類(lèi)號(hào):TV135.2+9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0031- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.007

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金（51479057）

作者簡(jiǎn)介:吳建華（1958—）,男,教授,博士,主要從事水工水力學(xué)研究。E-mail:jhwu@ hhu.edu.cn

收稿日期:（2015 10- 12 編輯:駱超）

Air-entrainment characteristics of hydraulic jump aeration basin

WU Jianhua, HAN Dongxu, ZHOU Yu（College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China）

Abstract:With a focus on the problems of cavitation damage and the decrease of the energy dissipation rate caused by increasing flow depth and decreasing aeration for traditional stepped spillways under a large discharge rate, a hydraulic jump-aeration stepped spillway was developed, producing aerated flow on the stepped spillways bymeans of hydraulic jump aeration.Through a physicalmodel test, the air-entrainment characteristics of the hydraulic jump aeration basin were studied, including the effects of the approach flow condition, the length and end sill height of the aeration basin, and hydraulic jump flow regime on air entrainment characteristics.The results demonstrate that the submerged jump shows a better air entrainment effect for the bottom and walls within the aeration basin and the region behind the end sill, and the hydraulic andgeometric parameters affect the hydraulic jump flow regime and then affect the air concentration.It is crucial to present a suitable flow regime for air entrainment into the flow on the stepped spillway using the hydraulic jump aeration basin.

Key words:hydraulic jump aeration basin；stepped spillway；air-entrainment characteristics；flow regime；model test