跌坎型消能工沖擊區(qū)流速衰減規(guī)律研究

崔召 王海軍 劉家偉

摘要：跌坎型底流消能工沖擊區(qū)對(duì)消力池的消能效率具有決定性的影響，而沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律及機(jī)理尚不明確。采用水工模型試驗(yàn)方法，開(kāi)展了沖擊區(qū)主流軸線最大流速與跌坎深度、入池流量之間相互關(guān)系的研究，結(jié)果表明，跌坎型底流消能工沖擊區(qū)入射主流軸線流速的衰減遵循一般的射流衰減規(guī)律。通過(guò)水工模型試驗(yàn)結(jié)果的無(wú)量綱化，給出了u（i）max/u₀（入射主流軸線各特征斷面點(diǎn)流速的無(wú)量綱值）- x_i/L（入射主流軸線各特征斷面點(diǎn)距離的無(wú)量綱值）的關(guān)系，研究結(jié)果表明：跌坎型底流消能工沖擊區(qū)入射主流軸線流速衰減規(guī)律不受跌坎深度、入池流量的影響，具有相似的衰減趨勢(shì)；入射主流軸線流速沿程衰減擬合曲線表明入射主流軸線流速沿程得到充分衰減。

關(guān)鍵詞：跌坎型底流消能工；水工模型試驗(yàn)：沖擊區(qū)；流速衰減規(guī)律；無(wú)量綱化；水力學(xué)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TV135.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.027

底流消能作為主要的泄洪消能方式之一，具有流態(tài)穩(wěn)定、消能效果好、對(duì)尾水水位變化適應(yīng)性強(qiáng)、泄洪霧化輕微等優(yōu)勢(shì)[1]。跌坎型底流消能工[2]是在常規(guī)底流消能型式基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型消能工，其體型為在消力池進(jìn)口處，將消力池底板整體向下開(kāi)挖，構(gòu)成縱剖面上有一定垂直深度的跌坎型消力池[3]。跌坎型底流消能工消力池內(nèi)的高速水流沿程得到擴(kuò)散[4]，使得能量得以消散，進(jìn)而達(dá)到降低臨底流速、保護(hù)消力池底板的目的[5]。

跌坎型底流消能工內(nèi)，淹沒(méi)射流主流到達(dá)消力池底板并與底板相互作用的區(qū)域稱為沖擊區(qū)[6]。在沖擊區(qū)，淹沒(méi)射流主流沖擊消力池底板，受到底板的約束[7]，臨底區(qū)域流向發(fā)生改變[8]，入射主流的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為底板上的壓能[9]，大部分動(dòng)能得到消散，使得主流流速迅速降低。沖擊區(qū)是消力池內(nèi)主要的消能區(qū)域[1O]，其水力特性對(duì)消力池的消能效率具有決定性的作用。

跌坎型底流消能工在入射主流進(jìn)入消力池后，沿主流方向的流速隨射程的增加而減小。但是，目前研究成果[11-13]只針對(duì)入射主流的沿程衰減規(guī)律，而很少涉及對(duì)其的定量描述?；谶@種情況，本文從水T模型試驗(yàn)出發(fā)，著重對(duì)跌坎型底流消能工沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律與機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

選定3個(gè)跌坎深度（d=6、8、10 cm）、3個(gè)水流入池角度（θ= 15°、30°、45°）以及3個(gè)人池流量（Q1= 6.13x10^-3、Q2= 8.03 x10^-3、Q3=10.32×10^-3m3/s）為試驗(yàn)工況，試驗(yàn)裝置如圖1所示。通過(guò)對(duì)跌坎型底流消能工消力池內(nèi)水流流態(tài)的觀測(cè)，分析消力池內(nèi)水流結(jié)構(gòu)[14]，如圖2所示。通過(guò)實(shí)測(cè)沖擊區(qū)入射主流軸線各特征斷面點(diǎn)的流速，分析消力池內(nèi)沖擊區(qū)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)[15]，并著重分析跌坎型底流消能工沖擊區(qū)人射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律與機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沖擊區(qū)主流軸線最大時(shí)均流速衰減機(jī)理

試驗(yàn)選擇跌坎型底流消能工消力池沖擊區(qū)入射主流軸線斷面作為研究對(duì)象，研究沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程分布與衰減情況。以泄槽末端入射斷面的人池流速₀為基準(zhǔn)，對(duì)入射主流軸線各特征斷面的最大時(shí)均流速u（i）max進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到主流軸線流速無(wú)量綱值u（i）max/u₀）與主流軸線各特征斷面到入射斷面的距離x_i之間的關(guān)系曲線。水力學(xué)指標(biāo)參數(shù)之間關(guān)系示意見(jiàn)圖3，水力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表l。

人池流量一定（以Q3= 10.32xl0^-3m3/s為例），不同人池角度[16]對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)最大時(shí)均流速見(jiàn)表2，u（i）max/u₀與x_i之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

由圖4可知：①u（i）max/u₀）與x_i）成反比關(guān)系，即隨著入射主流軸線各特征斷面到入射斷面之間距離的增大，主流軸線流速無(wú)量綱值逐漸減小：②人池流量一定、跌坎深度相同時(shí)，人池角度增大使得入射主流軸線流速沿程總衰減率減小。

為進(jìn)一步研究跌坎深度變化對(duì)沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律的影響[17]，分析人池流量一定（以Q3= 10.32xl0 -3 m3/s為例）時(shí)，各人池角度下不同跌坎深度對(duì)應(yīng)的u（i）max/u₀）與x_i之間的關(guān)系（見(jiàn)圖5）。

由圖5可知，在不同跌坎深度工況下，主流軸線流速的沿程衰減曲線具有相似的趨勢(shì)。

跌坎深度一定（以d=8 cm為例）時(shí)，各人池流量下不同人池角度對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)最大時(shí)均流速見(jiàn)表3，Q3= 10.32xl0 -3 m3/s、d=8 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的最大時(shí)均流速見(jiàn)表2，u（i）max/u₀與x_i的關(guān)系見(jiàn)圖6（Q3=10.32×l0 -3m3/s、d=8 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線見(jiàn)圖4（b））。

由圖6、圖4（b）可知：①主流軸線流速無(wú)量綱值u（i）max/u₀與主流軸線各特征斷面到入射斷面距離x_i成反比關(guān)系，即隨著人射主流軸線各特征斷面到入射斷面之間距離的增大，主流軸線流速無(wú)量綱值逐漸減?。孩谠诘采疃纫欢?、人池流量相同的工況下，人池角度的增大使得入射主流軸線流速的沿程總衰減率減小。

為進(jìn)一步研究人池流量變化對(duì)沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律的影響，分析跌坎深度一定（以d=8Cm為例）時(shí)，各人池角度下不同人池流量對(duì)應(yīng)的u（i）max/u₀與x_i之間的關(guān)系（見(jiàn)圖7）。

由圖7可知：①在不同人池流量工況下，主流軸線流速的沿程衰減曲線具有相似的衰減趨勢(shì)：②隨著人池流量的增大，沖擊區(qū)入射主流軸線流速的沿程總衰減程度有所降低，即沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程總衰減率減小。

因此，在人池流量和跌坎深度一定的工況下[18]，沖擊區(qū)主流軸線流速無(wú)量綱值u（i）max/u₀。與主流軸線各特征斷面到入射斷面距離x_i成反比關(guān)系，即隨著主流軸線各特征斷面到入射斷面之間距離的增大，主流軸線流速無(wú)量綱值逐漸減?。和瑫r(shí)，在人池流量一定的工況下，隨著跌坎深度的改變，沖擊區(qū)入射主流軸線流速的沿程衰減曲線具有相似的衰減趨勢(shì)：在跌坎深度一定的工況下，隨著人池流量的改變，沖擊區(qū)入射主流軸線流速的沿程衰減曲線亦具有相似的衰減趨勢(shì)。從而可知，跌坎型底流消能工沖擊區(qū)入射主流軸線流速的沿程衰減遵循一般的射流衰減規(guī)律，即在自由紊動(dòng)射流沿程擴(kuò)展的過(guò)程中，其縱向時(shí)均速度是沿程衰變的[19]。但是，在跌坎深度和人池流量相同的工況下，人池角度的增大使得入射主流軸線流速的沿程總衰減率減小，即消力池消能率的提高不能一味地追求人池角度的增大。

2.2 沖擊區(qū)主流流速衰減機(jī)理

為進(jìn)一步分析跌坎型底流消能工沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減規(guī)律，以泄槽末端斷面人池流速u₀為基準(zhǔn)，對(duì)入射主流軸線各特征斷面的u（i）max進(jìn)行無(wú)量綱化處理：以消力池沖擊區(qū)入射主流軸線長(zhǎng)度為基準(zhǔn)，對(duì)主流軸線各特征斷面到入射斷面距離x_i進(jìn)行無(wú)量綱化處理。從而得到相同人池角度、不同跌坎深度工況下（u（i）max/u₀）-（x_i/L）的關(guān)系曲線（L為消力池沖擊區(qū)入射主流軸線長(zhǎng)度）。

人池角度為15°時(shí)，不同人池流量[20]對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)最大時(shí)均流速見(jiàn)表4，（u（i）max/u₀）-（x_i/L）關(guān)系見(jiàn)圖8。

由圖8可知：①當(dāng)人池角度為150時(shí)，在不同跌坎深度工況下，沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程分布具有相似的衰減趨勢(shì)，擬合線均為斜率為負(fù)值的直線，并且擬合曲線的斜率隨著跌坎深度的增大而增大：②跌坎深度較大時(shí)沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程總衰減率大于跌坎深度較小時(shí)的沿程總衰減率。

人池角度為300時(shí)，不同人池流量對(duì)應(yīng)的（u（i）max/u₀）-（x_i/L）關(guān)系見(jiàn)圖9。

由圖9可知：①當(dāng)人池角度為300時(shí)，在不同跌坎深度工況下，沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程分布與人池角度為15°時(shí)衰減趨勢(shì)相似，擬合線的斜率隨著跌坎深度的增大而增大：②跌坎深度較大時(shí)沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程總衰減率大于跌坎深度較小時(shí)沿程總衰減率。原因是隨著跌坎深度的增大，沖擊區(qū)入射主流軸線長(zhǎng)度增長(zhǎng)，入射主流得到充分發(fā)展，使得沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程得到充分衰減。

人池角度為45°時(shí)，不同人池流量對(duì)應(yīng)的u（i）max/u₀）-（x_i/L））關(guān)系見(jiàn)圖10。

由圖10可知：①當(dāng)人池角度為450時(shí)，在不同跌坎深度的工況下，沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程分布與人池角度為15°、30°時(shí)衰減趨勢(shì)相似，擬合曲線的斜率隨著跌坎深度的增大而增大：②隨著跌坎深度的增大，沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程總衰減率有所增大：③當(dāng)?shù)采疃葹?、8 cm時(shí)，沖擊區(qū)入射主流軸線流速沿程衰減趨勢(shì)近乎相同：當(dāng)?shù)采疃葹?0 cm時(shí)，各特征值分布較分散，說(shuō)明沖擊區(qū)人射主流軸線流速沿程得到充分衰減，主流軸線流速沿程總衰減率較高。

3 結(jié)論

（1）在人池流量和跌坎深度一定的工況下，沖擊區(qū)入射主流軸線流速無(wú)量綱值u（i）max/u₀與主流軸線各特征斷面到入射斷面距離xsub>i