突擴(kuò)式跌坎消力池?fù)綒馓匦栽囼?yàn)

張紅梅，劉經(jīng)強(qiáng)，于新雨，高 媛，李樹寧

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

傳統(tǒng)底流消能工多應(yīng)用于中小型工程，在高壩泄流消能中應(yīng)用很少。突擴(kuò)式跌坎消力池作為一種應(yīng)用于高水頭、大單寬流量工程的新型消能工，既對(duì)生態(tài)環(huán)境比較友好，又能顯著減低消力池內(nèi)部水力學(xué)指標(biāo)，在國內(nèi)外很多工程中得到了很好的應(yīng)用[1-2]。突擴(kuò)式跌坎消力池由于側(cè)向突擴(kuò)的存在，使得入射水流進(jìn)入消力池后，流場幾何形狀發(fā)生突變，水流失去了兩側(cè)固體邊壁的約束，在主流兩側(cè)形成了立軸漩渦，屬于典型的三元混合流態(tài)[3]，消力池內(nèi)部水流結(jié)構(gòu)、壓強(qiáng)分布等較無突擴(kuò)跌坎消力池更加復(fù)雜[4-5]。近年來不少學(xué)者對(duì)突擴(kuò)式跌坎消力池進(jìn)行了研究，如黃海艷等[6-9]基于水力學(xué)模型試驗(yàn)，分析研究了突擴(kuò)比、跌坎深度、入池水流弗勞德數(shù)等因素對(duì)消力池內(nèi)底板及邊墻時(shí)均壓強(qiáng)、臨底流速及近墻流速的影響；王海軍等[10]基于模型試驗(yàn)研究了消力池突擴(kuò)側(cè)立軸漩渦的運(yùn)動(dòng)范圍及運(yùn)動(dòng)形式；金瑾等[11-12]通過數(shù)值模擬方法模擬了多股跌擴(kuò)型底流消能工渦旋分布情況；李樹寧等[13-16]通過模型試驗(yàn)得出了消力池底板最大臨底流速、最大動(dòng)水壓強(qiáng)、最大上舉力的經(jīng)驗(yàn)估算公式；張文靜[17]基于模型試驗(yàn)研究了突擴(kuò)比、入池能量、尾坎高度、池長對(duì)突擴(kuò)式跌坎消力池底板臨底流速和動(dòng)水壓強(qiáng)的影響。

由于入射水流與消力池內(nèi)水體形成紊動(dòng)劇烈的剪切面，導(dǎo)致大量空氣被卷吸入水中形成水氣兩相流，水流紊流流場中含有氣泡時(shí)，原來的紊流結(jié)構(gòu)勢必會(huì)發(fā)生變化，影響消力池內(nèi)的水力學(xué)指標(biāo)，國內(nèi)外專家學(xué)者基于水工模型試驗(yàn)對(duì)工程上常見的消能工如水墊塘、消力池?fù)綒猬F(xiàn)象進(jìn)行了研究。郭子中等[18]研究了二元混合流摻氣特性，得到了其摻氣濃度分布規(guī)律；董志勇等[5-19]研究了摻氣對(duì)射流沖擊水墊塘底部及坑底壓強(qiáng)影響的機(jī)理；張錦等[20]通過水力學(xué)模型試驗(yàn)，得到入池流量、跌坎深度以及水流入射角度對(duì)壁射流區(qū)摻氣濃度沿程分布的影響規(guī)律；Chanson等[21-22]研究了水躍中的摻氣和紊動(dòng)特性，給出了摻氣的脈動(dòng)頻率以及氣泡輸移規(guī)律；吳建華等[23]研究了水躍摻氣池的摻氣特性，得出了其影響因素；辜晉德等[24]通過1∶50和1∶100兩個(gè)不同比尺模型研究了挑流水墊塘的摻氣比尺效應(yīng)。以上研究均基于二元流動(dòng)，而關(guān)于突擴(kuò)式跌坎消力池三元流動(dòng)的摻氣研究成果還比較少，基于此，本文通過模型試驗(yàn)，對(duì)不同流能比及突擴(kuò)比的突擴(kuò)式跌坎消力池?fù)綒馓匦赃M(jìn)行了初步研究，分析了其摻氣濃度的分布規(guī)律，旨在豐富突擴(kuò)式跌坎消力池研究成果，為其安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與測點(diǎn)布置

試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)采用循環(huán)供水，試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕筛呶凰?、模型試?yàn)區(qū)、尾水池、回水渠和地下水庫等部分組成，圖1為試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D，泄槽段水平長416 cm，高差為105 cm，寬度為50 cm，底坡為14°；消力池段長度為120 cm，跌坎高為6 cm，尾坎高為18 cm，消力池下游出水渠段長度為200 cm，底坡為1/100。試驗(yàn)中采用了50 cm、65 cm、80 cm 3個(gè)不同的消力池寬度，對(duì)應(yīng)3個(gè)不同突擴(kuò)比(消力池底板寬度與泄槽寬度的比值，用β表示)，即1.0、1.3和1.6。圖2為消力池底板測點(diǎn)布置(以β=1.3為例)，以消力池跌坎樁號(hào)為原點(diǎn)，以沿池長順?biāo)鞣较驗(yàn)閤方向，沿池寬垂直水流方向?yàn)閥方向，沿消力池底板1/2中線、1/4中線、邊墻線順?biāo)鞣较蛎块g隔10 cm布置一個(gè)摻氣濃度傳感器，共布置30個(gè)，用于測量無突擴(kuò)跌坎消力池(β=1.0)及突擴(kuò)式跌坎消力池(β=1.3、1.6)底板的摻氣濃度。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?單位：cm)

圖2 消力池底板摻氣濃度測點(diǎn)布置(單位：cm)

試驗(yàn)在3個(gè)不同來流條件下進(jìn)行，流量測量采用中國開封儀表有限公司生產(chǎn)的E-mag C型電磁流量計(jì)，通過開關(guān)閘閥調(diào)節(jié)流量，采用電磁流量計(jì)讀取流量值。根據(jù)實(shí)際的試驗(yàn)條件，用反映水力條件的無量綱數(shù)——流能比k(k=q/g0.5h1.5，其中q為單寬流量，h為上下游水位差)來進(jìn)行3個(gè)工況的測量,其中k分別為0.014、0.018和0.021，對(duì)應(yīng)出水渠末端水位分別為 4.4 cm、5.0 cm和5.7 cm。摻氣濃度采用中國水利水電科學(xué)研究院最新研制的DDCQY-2016M型電導(dǎo)摻氣儀與DJ800多功能采集儀組合使用進(jìn)行量測，采樣頻率為100 Hz,采樣歷時(shí)82 s，摻氣濃度誤差小于0.3%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摻氣水流流態(tài)

圖3為同等水力條件下(k=0.018)，無突擴(kuò)和突擴(kuò)式跌坎消力池內(nèi)典型的摻氣水流流態(tài)。從圖3可以看出，兩種體型的消力池?fù)綒馑鞯湫土鲬B(tài)為水躍流和射流疊加而成的混合流，且水躍流疊加在射流之上，躍首被射流分裂成兩部分；整個(gè)消力池主要分為氣泡躍移區(qū)、氣泡懸移區(qū)及清水區(qū)3個(gè)區(qū)域，且體型不同，區(qū)域范圍大小也有所不同。無突擴(kuò)跌坎消力池(β=1.0)距離躍首約0.42l(l為消力池長度)處有大量水團(tuán)躍出水面，整個(gè)水躍表面為氣泡躍移區(qū)，躍尾為清水區(qū)，中間部分是氣泡懸移區(qū)，躍移區(qū)氣泡比較密集、連續(xù)，以泡沫層形式存在，相比較而言氣泡懸移區(qū)氣泡分布比較均勻、稀疏，且一直延續(xù)到消力池底板；突擴(kuò)式跌坎消力池(β=1.3)氣泡躍移區(qū)在泄槽延長線范圍內(nèi)，長度較無突擴(kuò)跌坎消力池有所減小，氣泡懸移區(qū)長度有所增加，氣泡分布更加密集，臨底長度有所減小，只在沖擊區(qū)有臨底現(xiàn)象，突擴(kuò)處為清水回流區(qū)，攜帶部分氣泡。這與消力池內(nèi)摻氣水流特性與水流內(nèi)部流動(dòng)密切相關(guān)。跌坎消力池的典型流態(tài)是射流與水躍流的混合流，高速射流在空氣擴(kuò)散中摻入大量空氣，形成高濃度的水氣二相流，且在水流入水處摻入大量空氣，入水過程中與水躍之間強(qiáng)烈剪切、混摻、擴(kuò)散，躍首被射流分裂成兩部分。表面水波在強(qiáng)烈紊動(dòng)、破碎、飛濺中卷入大量空氣，同時(shí)由于水躍旋渦卷吸、輸運(yùn)了大量的氣泡，使得氣泡躍移區(qū)氣泡大量連續(xù)密集存在，摻氣濃度較大。摻入的空氣一部分在紊動(dòng)作用下卷入旋滾區(qū)形成懸移區(qū)，一部分隨水流帶走，直到水躍下游溢出水面形成清水區(qū)。由于突擴(kuò)的存在，進(jìn)入消力池的射流失去了兩側(cè)固體邊壁的直接約束，在突擴(kuò)區(qū)域內(nèi)形成了射流側(cè)的擴(kuò)散與回流，耗散掉部分進(jìn)入消力池的能量，使得入池射流與水躍之間剪切、紊動(dòng)減小，因此氣泡躍移區(qū)濃度較低，懸移區(qū)范圍較大，清水區(qū)較小。

圖3 摻氣水流流態(tài)

2.2 消力池底板摻氣濃度分布特性

圖4和圖5分別給出了無突擴(kuò)和突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度分布情況(以相對(duì)測點(diǎn)位置x/l為橫坐標(biāo)，其中x為測點(diǎn)與消力池跌坎之間的距離)。從圖4可以看出，在同一流能比(k=0.018)條件下，無突擴(kuò)跌坎消力池底板摻氣濃度呈降峰形曲線分布，沿程先迅速衰減后趨于平穩(wěn)，最大值出現(xiàn)在躍首位置，且1/4中線處、1/2中線處及靠近邊墻處摻氣濃度分布比較均勻，1/2中線處略大。由圖5可以看出，在同一流能比(k=0.018)條件下，突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度呈升峰型曲線分布，沿程先增大到一個(gè)最大值再逐漸衰減最后趨于平穩(wěn)，最大值出現(xiàn)在沖擊點(diǎn)附近，且1/4中線處摻氣濃度最大，1/2中線處次之，靠近邊墻處最小，這是由各自的摻氣水流流態(tài)決定的。無突擴(kuò)跌坎消力池水流分為3個(gè)區(qū)域，水躍表面是氣泡躍移區(qū)，摻氣濃度最大，躍尾是清水區(qū)，中間是氣泡懸移區(qū)，摻氣濃度居中；對(duì)于消力池底板，主要是氣泡躍移區(qū)和清水區(qū)，高速摻氣射流入池到達(dá)底板后，底部強(qiáng)迫摻氣增多，摻氣分別向壁射流區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)跌坎下面存在底部旋滾區(qū)，卷入大量空氣，因此消力池底板首端摻氣濃度最大，隨著摻氣擴(kuò)散，濃度逐漸衰減，到達(dá)躍尾清水區(qū)后摻氣濃度趨于平穩(wěn)。突擴(kuò)式跌坎消力池高速摻氣射流入池到達(dá)底板后，摻氣分別在壁射流區(qū)、突擴(kuò)側(cè)擴(kuò)散，同時(shí)跌坎下底流旋滾攜帶氣泡也向突擴(kuò)側(cè)擴(kuò)散，因此消力池底板沖擊點(diǎn)摻氣濃度最大，后面逐漸衰減至清水區(qū)趨于平穩(wěn)；突擴(kuò)式跌坎消力池由于突擴(kuò)的存在，由原來的二元流變成了復(fù)雜的三元流動(dòng)，射流進(jìn)入消力池，水躍被分成兩部分，射流橫向擴(kuò)散疊加主流的卷吸作用，使得射流邊界線附近1/4中線處摻氣濃度最大，射流中心線處摻氣濃度略小，突擴(kuò)側(cè)為清水回流區(qū)，摻氣濃度最小。

圖4 無突擴(kuò)跌坎消力池底板摻氣濃度分布(β=1.0，k=0.018)

圖5 突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度分布(β=1.3，k=0.018)

2.3 入池能量對(duì)消力池底板摻氣濃度的影響

圖6給出了無突擴(kuò)和突擴(kuò)式跌坎消力池底板1/2中線處、1/4中線處及靠近邊墻處最大摻氣濃度與入池能量的關(guān)系，其中入池能量用流能比來表征。從圖6可以看出，無突擴(kuò)和突擴(kuò)式跌坎消力池底板最大摻氣濃度沿程均隨著流能比的增大而增大，這是因?yàn)槿氤啬芰吭酱?，入池射流與周圍水體剪切、摩擦作用越大，從水面卷入空氣越多，同時(shí)到達(dá)底板后沖擊作用增強(qiáng)，底部強(qiáng)迫摻氣也增多。

圖6 入池能量對(duì)消力池底板摻氣濃度的影響

2.4 突擴(kuò)比對(duì)消力池底板摻氣濃度的影響

圖7給出了突擴(kuò)比對(duì)消力池底板摻氣濃度的影響，可知在同一水力條件下，突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度較無突擴(kuò)跌坎消力池有顯著降低，β=1.3時(shí)，消力池底板1/2中線處最大摻氣濃度降低了25%～55%，1/4中線處降低了12%左右，靠近邊墻處降低了50%左右；β=1.6時(shí)，消力池底板1/2中線處最大摻氣濃度降低了27%～55%，1/4中線處降低了5%左右，靠近邊墻處降低了70%左右。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，摻氣濃度并不隨著突擴(kuò)比的增大而單調(diào)減小，在消力池底板1/2中線和1/4中線處β=1.6的突擴(kuò)式跌坎消力池比β=1.3的突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度大，在靠近邊墻處β=1.6的突擴(kuò)式跌坎消力池比β=1.3的突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度小。這是由各自的摻氣水流流態(tài)決定的，突擴(kuò)式跌坎消力池氣泡懸移區(qū)長度有所增加，臨底長度有所減小，突擴(kuò)側(cè)為清水回流區(qū)，因此底板摻氣濃度較無突擴(kuò)時(shí)有顯著降低；相同水力條件下，突擴(kuò)比越大，消力池內(nèi)相應(yīng)水墊的深度也越小，高速射流入池后與池內(nèi)水體產(chǎn)生剪切、混摻作用更強(qiáng)烈，底部強(qiáng)迫摻氣強(qiáng)度更大，相應(yīng)的消力池底板摻氣濃度也隨之增大，而突擴(kuò)側(cè)清水回流區(qū)越大，氣泡溢出水面越多，靠近邊墻區(qū)摻氣濃度相應(yīng)減小。

圖7 突擴(kuò)比對(duì)消力池底板摻氣濃度的影響

3 結(jié) 論

a.突擴(kuò)式跌坎消力池?fù)綒馑鞯湫土鲬B(tài)為水躍流疊加在射流之上，躍首被射流分裂成兩部分，氣泡躍移區(qū)在泄槽延長線范圍內(nèi)，長度較無突擴(kuò)跌坎消力池有所減小，氣泡懸移區(qū)長度有所增加，臨底長度有所減小，突擴(kuò)處為清水回流區(qū)，攜帶部分氣泡。

b.無突擴(kuò)跌坎消力池底板摻氣濃度呈降峰形曲線分布，各縱向斷面沿程摻氣濃度分布均勻；突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度呈升峰型曲線分布，摻氣濃度在消力池底板1/4中線處最大，1/2中線處次之，靠近邊墻處最小。

c.隨著入池能量的增大，突擴(kuò)式跌坎消力池底板的摻氣濃度也隨之增大。

d.同一水力條件下，突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度較無突擴(kuò)跌坎消力池有顯著降低；摻氣濃度并不隨著突擴(kuò)比的增大而單調(diào)減小，在消力池底板1/2中線和1/4中線處β=1.6的突擴(kuò)式跌坎消力池比β=1.3的突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度大，在靠近邊墻處β=1.6的突擴(kuò)式跌坎消力池比β=1.3的突擴(kuò)式跌坎消力池底板摻氣濃度小。