閘前漩渦水力特性及形成條件的試驗(yàn)研究

裴少鋒,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部,遼寧大連 116024)

閘前漩渦水力特性及形成條件的試驗(yàn)研究

裴少鋒,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部,遼寧大連 116024)

結(jié)合實(shí)際工程,利用水工模型試驗(yàn)研究了閘前漩渦的發(fā)生規(guī)律和水力特性。試驗(yàn)研究表明,在閘門開(kāi)度較大的工況下,才會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的間歇吸氣漏斗漩渦。而在閘門開(kāi)度一定的情況下,閘前漩渦強(qiáng)度隨淹沒(méi)深度變化較為明顯:當(dāng)淹沒(méi)深度趨近于某一值時(shí),此時(shí)的漩渦強(qiáng)度存在極大值,小于或者大于這個(gè)淹沒(méi)深度,漩渦的強(qiáng)度都會(huì)有不同程度的減弱,甚至消失。從理論上探討分析了間歇吸氣漏斗漩渦的形成條件。這些成果可為閘前漩渦消除措施的工程設(shè)計(jì)提供參考。

水工模型試驗(yàn);閘前漩渦特性;發(fā)展規(guī)律;理論分析;形成條件

0 引 言

以前,漩渦的大部分研究是在導(dǎo)流洞、抽水蓄能電站和水電站等泄水、引水建筑物進(jìn)水口前。它們有共同的特點(diǎn):高水頭;洞室或管道內(nèi)一般是有壓流;正常運(yùn)行時(shí)一般是滿開(kāi)度狀態(tài);這些進(jìn)水口前一般只有一個(gè)漩渦,且范圍較大等。試驗(yàn)研究的內(nèi)容主要包括進(jìn)水口前漩渦形成機(jī)理及其影響因素、縮尺效應(yīng)和消渦措施等。本文所要研究的是閘門前漩渦。閘孔屬于側(cè)部進(jìn)水口,其水頭較低;一般是無(wú)壓流;正常運(yùn)行時(shí),需要開(kāi)啟或關(guān)閉閘門,而且根據(jù)運(yùn)行工況還要確定閘門運(yùn)行方式(開(kāi)度大小、水位高低等),不同的運(yùn)行方式會(huì)直接影響閘門前是否會(huì)產(chǎn)生漩渦;產(chǎn)生的漩渦是成對(duì)的,即一個(gè)局部開(kāi)啟的閘孔前有兩個(gè)漩渦;由于閘室尺寸的限制,這種漩渦的范圍不大,一般在靠近檢修閘門槽的位置形成,隨水流游移到閘孔上方“30°三角形區(qū)域”[1]。若是產(chǎn)生吸氣漏斗漩渦(有的文獻(xiàn)稱之為“有害渦”[2]),勢(shì)必會(huì)造成惡化進(jìn)水口流態(tài)、減少進(jìn)水口流量、發(fā)出巨大聲響、引發(fā)閘門震動(dòng)和威脅水工建筑物安全等嚴(yán)重危害[2-6]。為了減少或避免有害渦的危害,有必要對(duì)閘門前漩渦的生成原因、發(fā)展規(guī)律及其特性進(jìn)行研究,并積極從理論上尋求消除吸氣漏斗漩渦的形成條件。

1 工程概況

某水利樞紐工程水庫(kù)正常蓄水位739.00 m,總庫(kù)容24.19×108m3,正常蓄水位下庫(kù)容20.45×108m3,死水位680.00 m,死庫(kù)容1.27×108m3,攔洪庫(kù)容2.85×108m3。水庫(kù)校核洪水位(P=0.02%)、設(shè)計(jì)洪水位(0.1%)分別為743.61 m和741.68 m。該工程下游有“635”水力樞紐工程,考慮下游工程的安全,要求本工程安全泄量1 750 m3/s,最大泄量不得超過(guò)3 077 m3/s。

該樞紐工程為Ⅰ等大(1)型工程,主壩、副壩、泄水建筑物及發(fā)電洞進(jìn)水塔為1級(jí)建筑物。主壩最大壩高121.50 m,副壩最大壩高14.00 m。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、溢流表孔、泄洪中孔、放水底孔、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房和副壩組成。溢流壩段、中孔壩段及底孔壩段布置在主河床左側(cè),溢流壩段共布置4個(gè)表孔,共5個(gè)壩段,每個(gè)壩段寬15 m,每孔凈寬12m,邊墩厚3 m,中墩厚3 m,基礎(chǔ)底高程624.00 m。溢流面下游每孔之間均設(shè)分區(qū)導(dǎo)流墻,共3道,導(dǎo)流墻厚度由3m漸變至1.5 m。溢流表孔堰型采用實(shí)用堰,堰頂高程730.0 m,堰頂下游段堰面曲線采用冪曲線,方程為Y=0.0568?X1.85。

2 閘前漩渦特性的試驗(yàn)研究

本文利用比尺1∶150的正態(tài)模型,參考1∶30的模型試驗(yàn),觀察、比較分析了該工程表孔溢洪道原方案和優(yōu)化方案中閘門前漩渦形成原因、發(fā)展規(guī)律及其消除措施。模型設(shè)計(jì)遵循重力相似準(zhǔn)則。

在盡量保證減弱對(duì)實(shí)際進(jìn)流條件和流量影響前提下,模型截取了溢流堰的一部分和其中一中孔閘門,試驗(yàn)在寬0.15 m,長(zhǎng)3.0 m的水平水槽中進(jìn)行。因?yàn)槭且恢锌?中孔凈寬加上兩邊閘墩厚度,模型總寬度為0.12 m。安裝時(shí),水工模型中軸線與水槽中軸線一致,來(lái)流方向與閘孔軸線方向平行。安裝好的模型如圖1所示。

根據(jù)閘門運(yùn)行方式,進(jìn)行了閘門開(kāi)度對(duì)應(yīng)各特征水位的試驗(yàn),各工況下的閘前水力特性如表1所示。試驗(yàn)中,水面線、斷面流速和流量的測(cè)量分別采用水位測(cè)針、南京水科院研制的便攜式流速儀和電磁式流量計(jì)。

圖1 安裝好的水工模型圖

在閘門前,行進(jìn)水流受邊界條件制約,發(fā)生縱向和橫向的突然收縮,水流能量隨之發(fā)生較大的變化。水流行進(jìn)至閘孔處,由于斷面進(jìn)一步收縮,底層流速增大,動(dòng)能增加,而表層水流受到弧形閘門阻滯,流速減小,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,從而在弧形閘門前形成水位壅高的滯水區(qū),其大小、形狀與周圍建筑物邊界、進(jìn)水口形式等密切相關(guān)[4]。滯水區(qū)水體因閘門局部開(kāi)啟大小和庫(kù)水位高低變化的影響而大致呈現(xiàn)出以下兩種不同的水流流態(tài)(由示蹤墨能清楚地發(fā)現(xiàn)):

(1)滯水區(qū)水面波動(dòng)微弱。當(dāng)閘門開(kāi)度e較小(以e=2 m為例),庫(kù)水位H相對(duì)較大(以H=741.68m為例)時(shí),庫(kù)內(nèi)水面線水平,流速不大。即使在進(jìn)入閘室后,雖受到堰和兩側(cè)閘墩的縱向、橫向收縮作用,流速大大增加了(流速分布不均勻:下層水流流速明顯大于上層水流流速),但是水面線卻沒(méi)有明顯變化,閘室內(nèi)水流表面波動(dòng)微弱。在剛進(jìn)入閘室時(shí)的左邊、右邊閘墩墩首各有持續(xù)的環(huán)流發(fā)生,環(huán)流方向固定,分別為逆時(shí)針和順時(shí)針。閘室內(nèi)滯水區(qū)水面形成了大面積回流區(qū),大致的旋轉(zhuǎn)方向分別為閘室左邊逆時(shí)針、右邊順時(shí)針,偶爾還會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)向相反的回流,回流強(qiáng)度相對(duì)較弱。閘墩首的環(huán)流隨水流逐漸游移到閘孔上方,并持續(xù)加強(qiáng)形成表面凹陷漩渦,如圖2所示。其大小和方向均不固定,渦深很淺(從側(cè)壁觀察,如圖3所示),基本不吸氣,為1和2型漩渦,無(wú)危害。

表1 閘門局開(kāi)對(duì)應(yīng)特征水位下的閘前漩渦水力特性

圖2 e=2m,H=741.68 m時(shí)閘前漩渦俯視圖

圖3 e=2m,H=741.68 m時(shí)閘前漩渦側(cè)視圖

(2)滯水區(qū)水面波動(dòng)劇烈。當(dāng)閘門開(kāi)度e較大、庫(kù)水位H不超過(guò)校核水位,以e=7 m 、校核洪水位H=743.61 m為例,其三視圖如圖4所示。此工況滿足孔流型式,從閘墩墩首開(kāi)始的閘室內(nèi),水面線驟降,最低水位出現(xiàn)在檢修閘門槽附近,閘室內(nèi)水面波幅大,達(dá)2.0 m。這與1∶30模型試驗(yàn)中的試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致:表孔大開(kāi)度、高水頭運(yùn)行時(shí)(閘孔出流),弧形閘門前的水位波動(dòng)較大,發(fā)現(xiàn)漩渦,如閘門開(kāi)度為8 m、庫(kù)水位為743.61 m時(shí),弧門前水位波動(dòng)幅值約為2.0 m[8]。透過(guò)有機(jī)玻璃水槽能清楚地發(fā)現(xiàn),水面劇烈波動(dòng)導(dǎo)致局部點(diǎn)出現(xiàn)下凹。這些凹陷為漩渦的形成提供了“有利”條件[7,9]。時(shí)降的“擴(kuò)大三角形區(qū)域”(“1”-閘孔上方三角形區(qū)域+“2”-閘孔前方30°三角形區(qū)域[1],如圖4所示)水流與正面來(lái)流相向而行。在水位最低處,基于實(shí)際水流的粘性作用,再加上正向、反向和橫向水流的綜合影響,閘室進(jìn)口的流速分布極不均勻(中間層流速明顯大于兩側(cè)邊界層流速)。由此,將導(dǎo)致較大的速度梯度及閘前擴(kuò)大三角形滯水區(qū)水流層間發(fā)生剪切力不平衡,從而產(chǎn)生了一定的環(huán)量[3],并引發(fā)初始漩渦。正面來(lái)流能量大于閘室內(nèi)波動(dòng)的時(shí)降水流能量,迫使閘室水體上壅,形成時(shí)壅水流——爬坡。初始漩渦也隨著時(shí)壅水流從檢修閘門槽附近游移到閘孔上方。同時(shí),由于閘孔的高速泄流作用,閘孔上方水體受下曳力作用[2]明顯,已經(jīng)處于失穩(wěn)狀態(tài)。再加上重力的主導(dǎo)作用,擴(kuò)大三角形區(qū)域水流有向進(jìn)水口運(yùn)動(dòng)的加速度,使水體處于復(fù)雜的三維流場(chǎng)中。初始漩渦也由表面凹陷逐漸加深,并最終發(fā)展成間歇吸氣漏斗漩渦(旋轉(zhuǎn)方向:閘室左邊逆時(shí)針、右邊順時(shí)針,如圖5所示),在閘孔上方三角形區(qū)域消失,如此往復(fù)。漩渦的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),間歇吸氣,吸氣頻率大,與5、6型漩渦類似,屬于強(qiáng)漩渦。此類漩渦惡化閘孔水流流態(tài),吸入的氣體通過(guò)閘門底緣后順?biāo)鞫?隨機(jī)在堰表面和靠近閘墩處潰滅,并發(fā)出響聲,引起水流波動(dòng)和建筑物振動(dòng),危害很大,如圖6所示。

圖4 閘門開(kāi)度7 m,庫(kù)水位743.61 m時(shí)三視圖

圖5 e=7m,H=743.61 m時(shí)閘前漩渦俯視圖

當(dāng)然,也有水面線下降不大,但水面劇烈波動(dòng)的情況(限于大開(kāi)度大流量情況下);同樣,在小開(kāi)度小流量情況下,也存在水面線下降明顯,而水面波動(dòng)微弱的情況。但是不論什么情況,閘前漩渦總是或弱或強(qiáng)地存在,試驗(yàn)表明:閘前漩渦在閘門開(kāi)度一定的情況下,漩渦強(qiáng)度隨淹沒(méi)深度變化較為明顯,當(dāng)淹沒(méi)深度趨近于某一值時(shí),此時(shí)的漩渦強(qiáng)度存在極大值,小于或者大于這個(gè)淹沒(méi)深度,漩渦的強(qiáng)度會(huì)有不同程度的減弱,甚至消失。

3 間歇吸氣漏斗的影響因素及成因分析

由于漩渦運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性及邊界條件的多變性,目前對(duì)漩渦問(wèn)題尚難提出理論上的精確解。

圖6 e=7m,H=743.61 m時(shí)閘前漩渦側(cè)視圖

為了研究如何消除閘門前的吸氣漏斗漩渦,首先必須分析其形成條件。綜合現(xiàn)有研究成果及試驗(yàn)研究現(xiàn)象,在閘門開(kāi)度e一定的情況下,是否發(fā)生漩渦受多方面因素影響[1-7,9-10]:進(jìn)水口邊界條件,相對(duì)淹沒(méi)深度H/e和流體特性(黏性參數(shù)Re、表面力參數(shù)We),重力參數(shù)Fr及環(huán)流參數(shù)Nr等。對(duì)于實(shí)際工程而言,一般雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)都足夠大,故可忽略不計(jì)。因此影響漩渦的主要因素還是進(jìn)口形式、相對(duì)淹沒(méi)水深和弗汝德數(shù),也有部分包含了環(huán)量數(shù)。若以φ表示漩渦的強(qiáng)度參數(shù),則:

φ=f(進(jìn)水口形式,S/e,Fr=v/ge,NΓ= Γe/Q)式中:S為淹沒(méi)水深;e為閘門開(kāi)度;v為進(jìn)水口流速;Q為流量;Γ為水流的初始環(huán)量常數(shù)。

閘前漩渦是閘門前邊界條件、閘門開(kāi)度、淹沒(méi)水深、糙率、流量等多種因素綜合作用的結(jié)果。下面我們來(lái)分析吸氣漏斗漩渦形成條件。若是在水位和閘門開(kāi)度都一定的情況下,倪漢根[10]認(rèn)為,漩渦的發(fā)展(穩(wěn)定,擴(kuò)展,還是消滅)取決于?p2/?Z|r=0的大小。其分析如下:吸氣漏斗漩渦類似于一個(gè)中空的倫金組合渦[11],由自由渦和強(qiáng)迫渦組成,如圖7所示。當(dāng)然,水平進(jìn)水口前的吸氣漏斗漩渦,由于渦管拉伸、彎曲,實(shí)際上比倫金組合渦復(fù)雜得多。我們不妨設(shè)漩渦的渦核半徑為rm=a(非常數(shù)),環(huán)量為Г,則當(dāng)r＞a時(shí),水流的運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋的,為自由渦運(yùn)動(dòng)(虛線部分);當(dāng)r≤a時(shí),流體像剛體一樣以角速度ω(ω= Γ/(2πa2))旋轉(zhuǎn),為強(qiáng)迫渦運(yùn)動(dòng)(實(shí)線部分)。圖中,a2ω2/g為渦深,用ZA表示,即ZA=a2ω2/g,則核內(nèi)、外壓強(qiáng)可確定如下(假定吸氣漏斗漩渦為豎向):

圖7 倫金組合渦模型

理想流體(粘性系數(shù)μ=0)在正壓且外力有勢(shì)的條件下,滿足拉格朗日定理,即渦旋保持性:有旋則永遠(yuǎn)有旋,無(wú)旋則永遠(yuǎn)無(wú)旋。而在實(shí)際流體中,漩渦在粘性(μ≠0)、斜壓和外力無(wú)勢(shì)的作用下,隨著速度環(huán)量 Г的變化而產(chǎn)生、發(fā)展和消失,渦旋的保持性不復(fù)存在。渦旋在粘性流體中擴(kuò)散[12]——渦旋強(qiáng)的地方將向渦旋弱的地方輸送渦旋,直至渦旋強(qiáng)度相等為止。并且由于渦旋的能量耗散和紊流的脈動(dòng)作用,渦旋甚至?xí)芸煜АＨ粲谐掷m(xù)提供渦旋能量的源,漩渦必定會(huì)再次產(chǎn)生、發(fā)展和消失,周而復(fù)始。間歇吸氣漏斗漩渦由此形成。

4 結(jié) 論

本文采用模型試驗(yàn)觀察和理論分析相結(jié)合的方法,結(jié)合實(shí)際工程,研究了側(cè)部表孔閘前漩渦的形成原因、發(fā)展規(guī)律及其水力特性。試驗(yàn)表明:在閘門大開(kāi)度工況下,才會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)具有危害的間歇吸氣漏斗漩渦。而在閘門開(kāi)度一定的情況下,閘前漩渦強(qiáng)度隨淹沒(méi)深度變化趨于正態(tài)分布。閘前漩渦的發(fā)生受邊界條件、淹沒(méi)水深等眾多因素的影響。這些因素導(dǎo)致閘室進(jìn)口處的流速分布極不均勻(中間層流速明顯大于兩側(cè)邊界層流速)。由此產(chǎn)生的速度梯度引起了一定的初始環(huán)量,漩渦由初始的表面凹陷逐步發(fā)展成間歇吸氣(5型漩渦為主)。最后從理論上分析探究了間歇吸氣漩渦的形成條件、發(fā)展增強(qiáng)和擴(kuò)散消亡的規(guī)律。本文關(guān)于閘前漩渦的發(fā)生規(guī)律和水力特性的研究成果為進(jìn)一步研究閘前漩渦的有效消除措施提供了可靠的資料,具有一定的理論和實(shí)際意義。

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Experimental Study on Hydraulic Characteristics and Formation Conditions of Upstream Vortex

PEI Shao-feng,LIU Ya-kun,NI Han-gen
(Faculty of Infrastructure Engineering,DalianUniversity of Technology,Dalian,Liaoning116024,China)

Combined with practical engineerings,the development law and hydraulic characteristics of upstream vortex are studied by hydraulic model tests.The test study results show that the intermittently inspiratory funnel vortex would only appear when the opening of the gate is larger.When the opening of the gate is not changed,the upstream vortex's intensity would vary obviously with the depth of submergence.The maximum value of the vortex's intensity would appear while the depth of submergence tends to a certain limit.When being less or greater than this depth of submergence,the intensity of vortex would be weakened to some extent,even disappear.Finally,the formation conditions of the intermittently inspiratory funnel vortex are studied in theory.The study achievements could provide references for the engineering design of upstream vortex's eliminating measures.

hydraulic model test;characteristic of upstream vortex;law of development;theoretical analysis;formation condition

TV66

A

1672—1144(2012)05—0055—06

2012-04-10

2012-05-09

國(guó)家自然科學(xué)基金“災(zāi)害性天氣暴雨洪水過(guò)程演化與防洪分類調(diào)度方法研究”(51279021);國(guó)家自然科學(xué)基金“基于風(fēng)險(xiǎn)分析的跨流域引水環(huán)境下水庫(kù)汛期水位實(shí)時(shí)調(diào)度多目標(biāo)決策研究”(51079015)

裴少鋒(1985—),男(漢族),河南湯陰人,碩士研究生,研究方向?yàn)楣こ趟W(xué)。

劉亞坤(1968—),女(漢族),黑龍江訥河人,博士,教授,博導(dǎo),主要從事工程水力學(xué)教學(xué)與科研工作。