消力戽面沿程脈動壓強特征研究

韓曉維 徐崗 吳佩峰

摘 要：為研究戽流消能時戽面脈動壓強特征及變化情況，結合實際工程，建立1∶60物理模型，應用DJ800多功能采集系統(tǒng)，對自由戽流、附著戽流、臨界戽流及穩(wěn)定戽流流態(tài)時戽面脈動壓強進行觀測。對戽面脈動強度特征、概率密度特征及頻譜特性等參數(shù)進行統(tǒng)計，結果表明：戽流流態(tài)發(fā)生變化時戽面脈動壓強隨之發(fā)生變化，在泄流平順的條件下，戽面脈動壓強由大到小依次為穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。戽面脈動壓強概率密度基本符合正態(tài)分布，但臨界戽流流態(tài)時，戽面鼻坎處峰態(tài)系數(shù)較大，且略有正偏。戽面上脈動壓強主頻主要集中在低頻段，但隨著下游水位的升高及流態(tài)的變化，戽面上脈動壓強逐漸向高頻段移動。

關鍵詞：消力戽;脈動壓強;概率密度;頻譜;模型試驗

中圖分類號：TV652.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.025

Abstract： In order to study the pressure fluctuation on spillway with bucket flow energy dissipation， based on the 1：60 physical model， this study observed the pressure fluctuation in different flow regimes by DJ800 system and carried out the statistics of some pressure fluctuation characteristics including the intensity， probability distribution and spectrum distribution. The research shows that when the bucket flow regime changes， the pressure fluctuation on the bucket is also changed. The bucket surface fluctuating pressure is in descending order： stable bucket flow > attachment bucket flow > critical bucket flow ≈ free bucket flow. The bucket surface pressure fluctuation is mainly distributed in the range of ±3σ， in accordance with normal distribution， however， in the critical bucket flow regime， the pressure fluctuation kurtosis coefficient on the bucket lip is larger than else. The dominant frequency of pressure fluctuation is concentrated in low-frequency stage， but with the increase of downstream water level and the changes of flow pattern， the dominant frequency is gradually moved towards high frequency.

Key words： bucket; fluctuating pressure; probability distribution; spectrum; model test

1 引 言

泄水建筑物邊壁脈動壓力特性與振動及空化空蝕破壞等工程問題有著非常密切的聯(lián)系，若處理不當引起工程破壞，后果不堪設想。針對泄水建筑物脈動壓強特性，國內外相關學者進行了一系列研究，如平板水躍脈動壓強特性[1-3]、溢流壩面反弧、護坦及鼻坎段脈動壓強特性[4-6]、消力池壁面脈動壓強特性[7-8]及模型相似率等[9]。近年來，一些學者又對跌坎消力池[10]、洞塞消能工[11]、帶鍵槽透水底板[12]及寬尾墩消力池[13]等特殊結構布置進行了相關研究。上述研究主要針對某一特定流態(tài)進行，考慮到消力戽的戽面流態(tài)復雜多變，本文結合不同戽流流態(tài)對消力戽面脈動壓強特征的影響進行了研究。

戽流消能流態(tài)主要隨著下游水位的變化而變化，當下游水位較低時，過戽水流呈挑流流態(tài)，又稱自由戽流，流態(tài)示意見圖1（a）;隨著下游水位升高，挑流水舌吸附于下游水面，頂部開始上拱，此時流態(tài)稱為附著戽流，其流態(tài)示意見圖1（b）;下游水位再度升高，在戽斗內形成貼附于水舌表面的薄層水滾，挑流水舌受下部水體的頂托而極度彎曲并向上隆起，水舌表面傾角在55°～60°之間，涌浪上升至一定高度后上游面開始下塌，這種流態(tài)稱為臨界戽流，典型流態(tài)示意見圖1（c）;下游水位繼續(xù)上升，戽內水流旋滾加劇，流態(tài)趨于穩(wěn)定，稱為穩(wěn)定戽流，其典型流態(tài)示意見圖1（d）[14]。自由戽流及附著戽流在戽斗內均為急流，其對邊壁的脈動壓強以紊流邊界層型為主，見圖2（a），而臨界戽流及穩(wěn)定戽流在戽斗內形成一定的水滾，其邊壁脈動壓強屬強紊流型，見圖2（b）。由于紊流邊界層型脈動壓強與強紊流型脈動壓強機理不同[15]，因此有必要對不同戽流流態(tài)時的消力戽邊壁脈動壓強特性進行研究。

2 模型設計及量測方法

2.1 模型設計

本文結合某實際工程，通過水工模型試驗對不同戽流流態(tài)時戽面沿程脈動壓強變化特征進行分析，模型比尺1∶60，模型設計、試驗數(shù)據(jù)均按重力相似律換算，相關物理量比尺見表1。對于脈動壓強頻率相似性的問題，目前爭議較大，本文主要研究戽面脈動壓強，參考文獻[6]中的研究成果，認為脈動壓強頻率符合重力相似準則。

該工程原設計采用挑流消能布置方式，其下游新建一座大（2）型水庫，建成后下游水位淹沒挑流鼻坎，使得原有挑流消能轉變?yōu)殪媪飨?。該工程混凝土重力壩最大壩?6.00 m，壩頂高程293.21 m，壩頂總長156.40 m，壩頂寬4.50 m，共分6個壩段。溢流堰采用開敞式WES堰，堰頂高程為278.21 m，分4孔，每孔凈寬8.00 m。挑流鼻坎反弧半徑為12.50 m，鼻坎頂高程251.62 m，挑射角為22°。泄槽總寬39.50 m，兩側設混凝土擋墻，墻頂高程為256.71 m。設計下泄流量為1 000 m3/s，校核下泄流量為3 021 m3/s，對應下泄單寬流量分別為25.3 m2/s和76.5 m2/s。

2.2 量測設備及分析方法

脈動壓強傳感器共設2排，分別在1#孔（左側）及2#孔（中部）溢流中心線上各布置4個，測點相對位置及具體布置如圖3所示。其中A測點布置在溢洪道泄槽上，用以分析順直邊界處的脈動壓強，B、C、D測點分別布置在反弧挑坎的上中下游，用以觀測不同戽流流態(tài)時戽斗處的脈動壓強。測點距xA、xB、xC、xD分別為19.7、25.2、33.5、40.2 m。

采用DJ800多功能監(jiān)測系統(tǒng)對水面波動實時數(shù)據(jù)進行采集，分析戽面脈動荷載。奈奎斯特頻率fn取25 Hz，脈動信號相應采樣頻率f=2fn=50 Hz，采樣時間間隔Δt=0.02 s，采集時間t=60 s，數(shù)據(jù)容量N=3 000，采用快速傅里葉變換對試驗數(shù)據(jù)進行頻域分析。

2.3 試驗組次選取

結合工程實際要求選取的試驗組次見表2。該工程下游水位受下游新建水庫水位影響，采用上下游遭遇同頻率洪水時的水力條件分析不同洪水頻率時戽面脈動壓強，對應表2中的組次RUN1～4，而組次RUN5～7是在RUN2的基礎上為分析不同戽流流態(tài)時的脈動壓強所選取的對比工況。

測量8個測點的脈動壓強，沿程脈動壓強系數(shù)見圖4及圖5，戽面脈動強度與下泄流量及流態(tài)均存在一定關系。

（1）從圖4可知，下泄流量較大時，泄槽兩邊脈動壓強受溢洪道兩側水翅影響較為明顯，1#孔中心線脈動壓強顯著較大。而2#孔中心線位于泄槽中部，其脈動壓強分布規(guī)律符合常規(guī)二元水流下泄規(guī)律，當壩面上水舌能夠自由挑出時，壩面脈動強度與下泄流量存在直接關系，流量越大，脈動越強。若流態(tài)發(fā)生變化，則戽斗內壓強隨之發(fā)生變化。

（2）控制下泄單寬流量q=25.3 m2/s，并改變下游水位形成不同下泄流態(tài)，分析不同戽流流態(tài)對戽面脈動壓強的影響，結果見圖5。自由戽流與附著戽流戽面上的脈動壓強分布基本一致，且數(shù)值相對較小。當下游水位上升至一定高度、戽面上形成臨界戽流時，戽斗鼻坎處的脈動壓強逐漸增大，雖有薄層水滾形成，但脈動壓強并未明顯增大。當下游水位繼續(xù)上升，戽斗內形成穩(wěn)定戽流時，水流脈動壓強明顯增大。在泄流平順的條件下，不同流態(tài)的脈動壓強由大到小依次為：穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。

偏態(tài)系數(shù)Cs表示分布的對稱性，若Cs=0，則分布是對稱的;峰態(tài)系數(shù)Ce表示峰值的高低和標準情況的偏離程度，標準正態(tài)分布對應的Ce=3。

戽流鼻坎處測點D2及戽斗底部測點C2在不同戽流流態(tài)時的偏態(tài)、峰態(tài)系數(shù)見表2，概率密度分布曲線見圖6。從表2可以看出，大多數(shù)情況下測點的Cs接近于0，Ce接近于3，與正態(tài)分布接近。但是，臨界戽流鼻坎處測點D2偏離正態(tài)較明顯，其Cs約為0.90，Ce達到6.40，概率密度分布曲線較標準正態(tài)分布曲線更為高瘦。對于標準正態(tài)分布而言，（-3σ，3σ）區(qū)間內可以包含可能數(shù)據(jù)的99.73%，而瘦高型概率密度區(qū)間（-3σ，3σ）可以包含的數(shù)據(jù)將大于99.73%，因此?。?3σ，3σ）來計算戽面上的脈動壓強特征值是偏安全的。

3.3 脈動壓強的頻譜特性

各點的脈動壓強是由通過它的各種尺度的旋渦共同作用的結果。脈動壓強可認為由較多不同頻率結構的分量組成，譜密度即表示組成脈動壓強的這些頻率分量所具有的平均能量值。由于不同工況下構成脈動壓強的頻率分量不同，因此各頻率分量具有的能量值及其在總能量中所占比例也不同。通過分析頻譜譜型，不僅可了解脈動的頻率結構、能量分布、強弱等特性，還可推測水流的內部結構及影響水流的因素[16]。

動水脈動壓強的頻域能量分布特征用自功率譜密度Sxx來表述[17]。

將不同流態(tài)下同一測點的功率譜進行歸一化處理，見圖7。

自由戽流、附著戽流溢流面沿程主要優(yōu)勢頻率低于0.1 Hz，為低頻單峰脈動，反映了此時戽面上脈動壓強主要能量集中在水舌擺動等大尺度低頻區(qū)域。臨界戽流流態(tài)下挑坎水流表面存在薄層水滾，此時戽斗內存在兩個較為明顯的優(yōu)勢頻段，一個為0.1 Hz以內的低頻段，另一個為受薄層水滾影響所產生的0.4～0.9 Hz的相對高頻段，脈動能量以低頻段為主。穩(wěn)定戽流流態(tài)下戽斗內形成穩(wěn)定旋滾，其主頻主要受旋滾影響，鼻坎處旋滾區(qū)域優(yōu)勢頻率在0.5～1.5 Hz之間，戽斗底部區(qū)域優(yōu)勢頻率在1.0～2.5 Hz之間，總體脈動能量向高頻段移動，說明此時水流中的大尺度渦轉化為小尺度渦，紊動加劇，消能率較高。

4 結 論

（1）在流態(tài)相同的條件下，戽面脈動強度與下泄流量存在一定關系，下泄流量越大，脈動越強。若流態(tài)發(fā)生變化，則戽斗內脈動壓強隨之發(fā)生變化，在泄流平順的條件下，不同流態(tài)的脈動壓強由大到小依次為穩(wěn)定戽流>臨界戽流>附著戽流≈自由戽流。

（2）用峰態(tài)系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)對戽面脈動壓強的正態(tài)性進行估計，不同戽流流態(tài)下戽面脈動壓強主要分布在±3σ范圍內，概率密度基本符合正態(tài)分布。臨界戽流流態(tài)下戽面鼻坎處峰態(tài)系數(shù)較大，其概率密度分布曲線較標準正態(tài)分布曲線更為瘦高，因此取區(qū)間（-3σ，3σ）來計算戽面上的脈動壓強特征值是偏安全的。

（3）分析

不同流態(tài)戽面脈動壓強頻譜表明，在一定條件下，隨著下游水位的升高及流態(tài)的變化，戽面上的脈動能量逐漸向高頻段移動。當戽坎下游水位較低、水流能順利挑出時，戽面上以低頻單峰脈動為主，且壓強較小。當下游水位升高至臨界戽流水位時，受主流表面薄層水滾的影響，一部分能量向高頻段移動，形成低頻雙峰脈動。當下游水位繼續(xù)升高至穩(wěn)定戽流水位時，戽斗內形成穩(wěn)定旋滾，其主頻主要受水流旋滾影響，總體脈動能量向高頻段移動，說明此時水流中的大尺度渦轉化為小尺度渦，紊動加劇，消能率較高。

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【責任編輯 張華巖】