不同組合連接體形下旋流式豎井水力特性試驗(yàn)研究

茍 超，楊紅宣，沈春穎，趙國安，龔興勇

(昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

旋流式豎井主要是利用豎井段的旋流消能和底部的消力井對(duì)下泄水流進(jìn)行消能，這種消能方式首次在20世紀(jì)40年代由學(xué)者Vischer等[1]提出。作為一種新型高效的泄流消能工，與傳統(tǒng)消能方式相比，旋流式豎井因具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、對(duì)地形的可適應(yīng)性強(qiáng)、無霧化及消能率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，如溪洛渡、雙溝、清遠(yuǎn)及小灣水電站[2-5]等水電工程均采用旋流式豎井消能。近年來，不少學(xué)者對(duì)旋流式豎井的體形、豎井深度、底部消能區(qū)壓力特性和消能率進(jìn)行了研究并取得了一些成果。趙建永等[6]通過模型試驗(yàn)對(duì)小流量旋流渦室體形進(jìn)行了比較擇優(yōu)，得出了最佳的渦室體形為橢圓體形，但未對(duì)該體形下渦室水面線及壓強(qiáng)問題進(jìn)行研究。南洪等[7]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)旋流式豎井深度在50～140 m的情況下進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：豎井深度在50～110 m時(shí)，豎井消能率并非隨消力井深度增大呈線性相關(guān)，而是表現(xiàn)為先增大再減小的規(guī)律；當(dāng)豎井深度大于120 m時(shí)，消力井深度對(duì)消能率的影響較微，豎井消能率只有較少增加。Camino等[8-9]借助水工模型試驗(yàn)在不同泄流量工況下對(duì)水流流態(tài)、消能率等水力特性進(jìn)行研究，最后得出旋流式豎井的消能率可達(dá)到80%。楊乾等[10]通過將物理試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法，分析了折板型豎井水流流態(tài)、湍動(dòng)能及消能機(jī)理。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者所進(jìn)行的研究主要集中在豎井尺寸、豎井泄流量對(duì)旋流式豎井水流流態(tài)和消能率的影響。實(shí)際上，豎井旋流要想獲得良好的消能效果，主要是在豎井中要能形成良好的旋流流態(tài)，良好的流態(tài)又與豎井進(jìn)口前引水道的連接體現(xiàn)密切相關(guān)，而且對(duì)同一體形，當(dāng)下泄流量不同時(shí)又會(huì)有不同的流態(tài)，從而有不同的消能效果。因此引水道與豎井進(jìn)口的鏈接體形及下泄流量的大小都對(duì)豎井的流態(tài)和消能效果有著重要的影響，這些影響關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，有待進(jìn)行深入研究。目前，豎井進(jìn)口的引水道與豎井的連接有一些不同的體形，其中，常用曲線段邊墻加折流坎邊墻的組合改變豎井進(jìn)口水流的方向及流速以獲得良好的旋流流態(tài)。在將折流坎折角與消力井深度進(jìn)行組合對(duì)旋流式豎井水力要素的影響方面的研究成果較少，折流坎折角和消力井深度作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)旋流式豎井的流態(tài)及水力要素有著重要影響。筆者通過改變折流坎折角和消力井井深，借助水工模型試驗(yàn)的方法研究不同連接體形下的水流流態(tài)及相關(guān)水力要素，并分析其對(duì)旋流式豎井泄流消能的影響。

1 模型試驗(yàn)布置

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕梢?、豎井渦室段、豎井段、消力井及退水出口段等5部分組成，如圖1所示。引水道為明渠矩形段，斷面尺寸由18 cm×22 cm(寬×高)漸變?yōu)?5 cm×22 cm，長度(指進(jìn)水口至渦室進(jìn)口處)為230 cm，為避免渦室回旋水流與來流發(fā)生碰撞[11]，底坡坡度取5%。引水道末端左側(cè)通過由長軸為38 cm、短軸為22 cm的1/4橢圓曲線(ab段)與渦室消能豎井相接，右側(cè)為折流坎(cd段)。已有資料[12]表明，折流坎折角與邊墻的夾角在10°以內(nèi)，試驗(yàn)中分別采用了折流角θ=0°(即無折流坎)、3°、4.5°及6°的4種折流坎。渦室直徑20 cm，高度50 cm；豎井直徑D=15 cm，高度194 cm；消力井直徑20 cm，并在渦室與豎井以及豎井與消力井之間均設(shè)有漸變段，其長度為20 cm。退水出口段為無壓明渠段，斷面尺寸為18 cm×22 cm(寬×高)，長200 cm，縱坡坡度2%。在消力井底板設(shè)D1～D4共4個(gè)測(cè)壓孔，其位置在圖示xyz坐標(biāo)系(坐標(biāo)單位cm)中為D1(0，-5，0)、D2(0，0，0)、D3(0，5，0)、D4(5，0，0)；試驗(yàn)中共設(shè)了3種消力井深度進(jìn)行試驗(yàn)，h分別為15、25 cm和35 cm。對(duì)消力井深度h=35 cm時(shí)，在消力井段邊壁上設(shè)B1～B5共5個(gè)測(cè)壓孔，其位置為B1(0，10，5)、B2(0，10，15)、B3(0，10，25)、B4(10，0，10)、B5(10，0，20)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷囊乐霖Q井后的出水段全部采用8 mm的有機(jī)玻璃制作。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w形(單位：cm)

試驗(yàn)中，用三角形薄壁堰控制下泄流量，并將下泄流量進(jìn)行無量綱化處理得到流量參數(shù)Q2/gD5(Q為下泄流量，m3/s；D為豎井直徑，m)，水位采用精度為0.1 mm的測(cè)針測(cè)量，流速采用長江科學(xué)院自制的LS- 401D型便攜式流速儀測(cè)量，各測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)利用玻璃測(cè)壓管和精度為1 mm的鋼板尺測(cè)量。

2 渦室水流流態(tài)分析

渦室流態(tài)影響著豎井旋流流態(tài)，并最終影響豎井旋流的消能效果。而渦室流態(tài)與渦室進(jìn)口處連接體形有關(guān)。引水道與豎井連接處左邊墻的橢圓形段作用是改變水流進(jìn)入渦室的流速方向，利于水流在渦室旋轉(zhuǎn)起來。折流坎段一方面可以改變?nèi)霚u室的水流方向，另一方面過流斷面被束窄后可增加水流速度，利于水流在渦室旋轉(zhuǎn)。但當(dāng)折流坎的折流角過大后，過水?dāng)嗝姹粐?yán)重束窄，在大流量時(shí)容易阻水反而不易在渦室段形成良好旋流流態(tài)。本研究是在固定左邊墻曲線不變的情況下研究折流坎折角與下泄流量對(duì)流態(tài)的影響。試驗(yàn)中通過改變折流角的大小以及針對(duì)不同下泄流量，可以總結(jié)出如下4種渦室內(nèi)典型流態(tài)，如圖2所示。

圖2 渦室進(jìn)口流態(tài)示意

(1)自由跌流流態(tài)。當(dāng)折流坎折角較小，特別是折流角θ=0時(shí)，在泄流量較小的情況下，由于折流坎折角較小，水流流經(jīng)折流坎時(shí)流向變化不大，水流受慣性作用經(jīng)引水道順直流入渦室，形成一下跌水舌，水舌直沖豎井對(duì)面邊壁，渦室內(nèi)水流起旋效果較差，基本無旋流出現(xiàn)，水流在渦室進(jìn)口處以自由跌流的形態(tài)下泄。流量增大時(shí)，自由跌落水舌增厚，仍然直沖豎井對(duì)面邊壁，難以形成旋流流態(tài)。這種流態(tài)對(duì)豎井旋流消能十分不利。

(2)跌-旋混合流流態(tài)。隨著折流坎折角的增大(但依然較小)，下泄不同流量時(shí)，折流坎對(duì)水流的導(dǎo)流作用逐漸明顯，水流流經(jīng)折流坎時(shí)流向發(fā)生改變，水流偏向左側(cè)曲線邊壁從而使邊壁水深升高，渦室內(nèi)起旋效果有所改善，渦室內(nèi)初現(xiàn)旋流形態(tài)，但旋流厚度沿流程分布不均勻且空腔存在晃動(dòng)，渦室進(jìn)口處跌流現(xiàn)象依舊明顯，渦室水流以跌-旋混合流的流態(tài)下泄。這種流態(tài)雖然在渦室中形成了一定的旋流，但旋流的流速相對(duì)較小，旋轉(zhuǎn)不充分，且仍然有自由跌落水舌出現(xiàn)并直接沖擊豎井對(duì)面邊壁。豎井旋流消能也應(yīng)該避免這種流態(tài)。

(3)自由旋流流態(tài)。當(dāng)折流坎折角增大到一定數(shù)值后，折流坎對(duì)水流的導(dǎo)向作用明顯，在一定的來流流量范圍內(nèi)，渦室進(jìn)口處跌流現(xiàn)象消失。從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，泄流量較小時(shí)，折流坎折角越大，渦室內(nèi)旋流效果越好，旋流狀態(tài)越穩(wěn)定，渦室水流僅有自由旋流一種流態(tài)。這主要因?yàn)闇u室進(jìn)口處過流面積隨折流坎折角的增大而逐漸減小，從而入室水流流速有所增大，使得水流能夠緊貼渦室邊壁螺旋下泄，渦室內(nèi)能夠形成穩(wěn)定的貼壁螺旋流，旋流厚度沿流程分布較均勻，渦室內(nèi)旋流充分，為自由旋流流態(tài)，流態(tài)良好。這是豎井旋流消能的最理想的流態(tài)。

(4)壅水-旋流流態(tài)。隨著泄流量和折流坎折角的不斷增大，折流坎對(duì)水流的導(dǎo)向作用更為明顯，入室流速將繼續(xù)增大，渦室內(nèi)旋流效果更加明顯，旋流厚度及螺旋圈數(shù)增加，旋流軌跡變長。但在大泄流量情況下，由于折流坎折角較大，使得渦室進(jìn)口處過流面積較小，下泄水流易在渦室進(jìn)口處產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，使引水道入渦室段的水深急劇增大，甚至出現(xiàn)水躍現(xiàn)象。這時(shí)渦室內(nèi)水流旋轉(zhuǎn)充分，無自由跌落水舌現(xiàn)象，此時(shí)渦室水流以壅水-旋流的形態(tài)下泄。由于形成了進(jìn)口段處的壅水現(xiàn)象，使過流能力受到影響，同時(shí)入渦室段的水流流速因水深增大而有所減小，一定程度上也影響了渦室水流的旋轉(zhuǎn)，渦室邊墻水流爬高加大，渦室螺旋流的旋轉(zhuǎn)效果弱于自由旋流流態(tài)。因而實(shí)際工程中應(yīng)避免出現(xiàn)此種流態(tài)。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，折流角和下泄流量對(duì)渦室從而對(duì)豎井段的流態(tài)將產(chǎn)生極大的影響。通常折流坎折角較小(或無折流坎)時(shí)，水流流態(tài)易出現(xiàn)自由跌流、跌-旋混合流兩種形態(tài)，當(dāng)增大折流坎折角后，渦室進(jìn)口處跌流現(xiàn)象得到有效改善直至消失，渦室水流易出現(xiàn)自由旋流流態(tài)，對(duì)較大的折流角和較大下泄流量易出現(xiàn)壅水-旋流形態(tài)。故工程中針對(duì)一定的下泄流量折流坎應(yīng)采用合適的折流角，以獲得良好的豎井旋流流態(tài)。

本文其后的試驗(yàn)均在自由旋流流態(tài)下進(jìn)行。

3 消力井壓強(qiáng)特性分析

3.1 側(cè)壁壓強(qiáng)分析

因下泄水流不斷與消力井內(nèi)水流混摻、旋滾，使得井內(nèi)水流紊動(dòng)劇烈，井壁受動(dòng)水壓力(特別是脈動(dòng)壓力，將在另文中單獨(dú)研究)影響較大，所以壓強(qiáng)是衡量旋流式豎井能否安全運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。由于側(cè)壁壓強(qiáng)與井深關(guān)系不大，主要隨流量同步增減[13]，故筆者主要研究側(cè)壁壓強(qiáng)與折流坎折角之間的變化關(guān)系。引入無量綱化參數(shù)—以反映折流坎折角大小的過流收縮系數(shù)ξ表征消力井深度的相對(duì)井深ε，計(jì)算公式為

(1)

ε=h/H

(2)

式中，L為折流坎至引水道與渦室連接處的距離，m(見圖1)；θ為折流坎折角，(°)；B為引水道末斷面底寬，m；h為消力井深度，m；H為豎井高度，m。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)了消力井相對(duì)井深ε=0.18時(shí)，3種折流坎折角在4種不同流量參數(shù)下的時(shí)均壓強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3可以看出：各泄流量不同連接體形下消力井壁的時(shí)均壓強(qiáng)均未出現(xiàn)負(fù)壓，說明豎井旋流的流態(tài)對(duì)消力井的時(shí)均壓強(qiáng)不會(huì)產(chǎn)生不利影響。實(shí)測(cè)壓強(qiáng)最小值均出現(xiàn)在B3測(cè)點(diǎn)位置處且不同流量時(shí)各點(diǎn)壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本一致。在同一測(cè)點(diǎn)位置處，壓強(qiáng)受折流坎折角的變化影響較小，隨泄流量的增加而增大，說明改變折流坎折角雖然對(duì)豎井流態(tài)有顯著影響，但對(duì)消力井側(cè)壁壓強(qiáng)影響不大，泄流量仍是影響側(cè)壁壓強(qiáng)的重要因素之一。

圖3 不同流量下各種折流坎的消力井側(cè)壁壓強(qiáng)

3.2 底板壓強(qiáng)分析

試驗(yàn)實(shí)測(cè)了流量參數(shù)Q2/gD5=0.09、0.19、0.26、0.34時(shí)，在3種折流坎折角下的底板時(shí)均壓強(qiáng)。試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，各流量在不同折流坎折角下底板壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本相同，且隨流量的變化同步增減。筆者通過選取流量參數(shù)Q2/gD5=0.19時(shí)討論底板壓強(qiáng)與井深和折流坎折角之間的變化關(guān)系。Q2/gD5=0.19，ξ=0.16時(shí)不同相對(duì)井深ε的消力井底板實(shí)測(cè)壓強(qiáng)結(jié)果見圖4a；ε=0.13時(shí)，不同折角θ的消力井底板實(shí)測(cè)壓強(qiáng)結(jié)果見圖4b。

圖4 Q2/gD5=0.19時(shí)消力井底板壓強(qiáng)p與井深 ε、過流系數(shù) ξ的變化關(guān)系

從圖4中可知，同一折流坎折角時(shí)各井深下底板壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本一致且隨井深同步增減。不同井深下底板測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化范圍有所不同，ε=0.08時(shí)消力井底板各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化較大。這主要因?yàn)橄畠?nèi)水墊層厚度較薄，下泄水流形成的沖擊區(qū)接近底板表面，底板受沖擊水流影響較大，且下泄水流在豎井過水?dāng)嗝嫔戏植疾痪?，水流集中的地方?duì)底板沖擊力更大，造成底板上不同測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)差別較大。ε=0.13時(shí)，底板各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化波動(dòng)較小，說明隨著井深的增加，消力井內(nèi)消能水體得到增加，沖擊區(qū)位置向上移動(dòng)，底板受沖擊水流影響減小，其壓強(qiáng)受井內(nèi)水深的影響更大。當(dāng)繼續(xù)增加相對(duì)井深ε=0.18時(shí)，底板各測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化波動(dòng)趨勢(shì)較井深ε=0.13時(shí)無明顯差異，壓強(qiáng)值因水深增加而增大。隨著井深進(jìn)一步增加，沖擊區(qū)位置繼續(xù)向上遷移，底板純水帶向上延伸，底板壓力主要受水深影響，壓強(qiáng)分布較均勻。

從圖4b中還可以看出，同一井深各折流坎折角下底板不同測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)值是不同的，這主要是由于豎井內(nèi)下泄水流為螺旋流，流量在過水?dāng)嗝嫔戏植疾痪鲗?duì)消力井底板的沖擊力也不均，造成各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)不等；Q、h不變時(shí)，不同折角θ的底板壓強(qiáng)差異不大，說明θ對(duì)底板壓強(qiáng)的影響弱于井深h對(duì)底板壓強(qiáng)的影響；消力井底板上各測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)隨折流坎折角的增大而減小，這主要是因?yàn)棣容^大時(shí)豎井中水流的旋流流態(tài)較好，水流消能效果也比較好，消能率高，使得進(jìn)入消力井中水流的總能量減小，壓能也減小，從而底板的時(shí)均動(dòng)水壓強(qiáng)也減小。

4 消能率

旋流式豎井消能工除了應(yīng)能適應(yīng)較寬的泄流能力、保證有良好的泄流流態(tài)，泄流中流道本身不被破壞之外，作為一種消能工，最重要的一點(diǎn)就是應(yīng)有良好的消能效果。旋流式豎井消能主要包括渦室段的消能、豎井旋流消能和消力井消能。旋流消能主要以增加近壁面水流與壁面間的摩擦阻力、水質(zhì)點(diǎn)間摩擦碰撞以沿程水頭損失的方式進(jìn)行消能，消力井消能則主要利用入射水流與井底水流、井壁面等相互碰撞摩擦、漩滾以及各流層間存在的剪切作用進(jìn)行能量消耗而達(dá)到消能效果。消能率的計(jì)算通常是在漸變流中選取2個(gè)斷面列能量方程，計(jì)算其水頭損失再與初始能量相比[14-17]。該試驗(yàn)選取以進(jìn)水口A-A斷面(距渦室中心90 cm)，出水口B-B斷面(距豎井退水口200 cm)為計(jì)算斷面，以出水口B-B斷面底板為位能基準(zhǔn)面，如圖1a所示，模型試驗(yàn)消能率的計(jì)算公式為

(3)

由式(1)得出hw由式(2)可計(jì)算出該豎井旋流的消能率

(4)

式中，α1、α2為動(dòng)能修正系數(shù)，取α1、α2=1.0；v1為A-A斷面平均流速，m/s；v2為B-B斷面平均流速，m/s；z1、z2分別為A-A、B-B斷面水面到基準(zhǔn)的距離；g為重力加速度。試驗(yàn)主要研究了折流坎折角不變，各消力井井深時(shí)不同流量下的消能率以及流量不變時(shí)折流坎折角對(duì)消能率的影響。由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出ξ=0.16時(shí)消能率η與流量Q的變化關(guān)系見圖5，流量參數(shù)Q2/gD5=0.19時(shí)消能率η與ξ的變化關(guān)系見圖6。

圖5 ξ=0.16時(shí) η與Q的變化關(guān)系

圖6 Q2/gD5=0.19時(shí) η與 ξ之間的變化關(guān)系

從圖5中可以看出：在折流坎折角不變時(shí)，對(duì)各種消能井的井深，隨流量變化消能率的變化規(guī)律都是相同的，即η隨Q的增大先減小，到流量大于一定值后又增大。主要原因是該折角相對(duì)較大，對(duì)入渦室水流的導(dǎo)向作用顯著，入渦室的水流流速較大，水流在渦室及豎井中旋轉(zhuǎn)充分，流態(tài)良好，故消能率較高。小流量時(shí)消力井消能水體較下泄而言比較充足，消力井的消能效果好，故小流量時(shí)消能率η高。隨著流量增加，消力井的消能效率降低，所以總的消能率η減小。但當(dāng)流量增大到一定值后消能率η又略微增大，這主要是因?yàn)榱髁吭龃蟮揭欢〝?shù)值后，雖然消力井的消能效果減弱，但渦室進(jìn)口水流速度增大，更利于渦室及豎井中螺旋流的發(fā)展，渦室及豎井段的消能效果增強(qiáng)，導(dǎo)致總體的消能率略微增大。相同流量時(shí)，消能率η隨井深h的增大而增大，但h大于一定值后，消力井深度再增加，消能率η的增幅減弱，說明對(duì)一定高度的豎井旋流消能，消力井的深度h與流量應(yīng)匹配，對(duì)一定的下泄流量，靠不斷增大h來提高消能率是徒勞的。

從圖6可以看出，在同級(jí)流量下，消能率η隨折角θ的增大而增大。因?yàn)棣容^大時(shí)，折流坎對(duì)水流的導(dǎo)向作用明顯，進(jìn)入渦室水流的方向及速度都更有利于形成流態(tài)良好的螺旋流，從而提高總的消能率η。但應(yīng)注意本試驗(yàn)都是在“自由旋流流態(tài)”下進(jìn)行的，若θ過大而出現(xiàn)“壅水-旋流流態(tài)”時(shí)，情形則另當(dāng)別論。對(duì)試驗(yàn)中的各種折流角θ在流量不變時(shí)，消能率η隨消力井深度h的增大而增大，但h大于一定值后，消力井深度再增加，消能率η的增幅減弱，原因與前述相同。說明當(dāng)消力井井深增加到一定程度(ε≥0.13)后，消力井內(nèi)有效的消能水體幾乎不再隨消力井井深的增加而增加。

5 結(jié) 論

本文所研究的旋流式豎井消能工，加設(shè)合適的折流坎可以有效改善渦室及豎井水流流態(tài)。針對(duì)不同的折流坎折角和來流量，水流由引水道進(jìn)入豎井渦室的流態(tài)可分為自由跌流、跌-旋混合流、自由旋流和壅水-旋流等4種典型流態(tài)。其中，自由旋流流態(tài)是最適合于豎井旋流消能工的流態(tài)。

折流坎折角變化主要對(duì)豎井流態(tài)產(chǎn)生影響，折流坎折角過大會(huì)減小過流能力，折流坎折角過小則不易形成自由旋流流態(tài)而影響消能效果。折流角變化對(duì)消力井側(cè)壁及底板壓強(qiáng)影響不大，消力井側(cè)壁及底板均不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。

對(duì)自由旋流流態(tài)，豎井旋流消能工的消能率隨流量的增加而減小，但流量增到一定值后消能率會(huì)略有回升。流量不變時(shí)，折流角的增大會(huì)使消能率增大。消能率隨消力井深度的增加而增加，但增加趨勢(shì)隨井深的增加而變緩。因此合理選擇消力井深度有利于提高豎井消能率，節(jié)省材料，減小投資。