通風面積對泄洪洞通氣量及風場的影響

李美 玲， 田 忠

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都 610065)

通風面積對泄洪洞通氣量及風場的影響

李美 玲， 田 忠*

(四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川成都 610065)

采用三維紊流模型，計算并分析了通風洞通風面積對泄洪洞通氣量及風場的影響，結果表明:當泄洪洞進口流速和閘門開度一定時，增大通風洞通風面積，通風洞平均風速減小，但減小趨勢逐漸平緩;泄洪洞通氣量隨著通風洞通風面積的增大而增大，但當通風面積增大到一定值時，泄洪洞通氣量沒有較顯著的變化;泄洪洞出口逆向補氣隨著通風面積的增大逐漸減小。

泄洪洞;通風面積;通風量;逆向補氣;影響

泄洪洞是水利水電工程常用的泄水建筑物，運行時，若通氣量不足，洞內可能會出現較低的負壓，從而降低了水流空化數，增加空蝕破壞的風險［1］。因此，在較長的管道內需設置通氣設施，使閘后區域與大氣相連，以便引入足夠的空氣來保證閘后壓強處于安全范圍之內［2］。其中，通風洞為泄洪洞通氣設施中較為常見的一種，研究其通風面積對泄洪洞內通氣量的影響對工程具有現實意義。

卡林斯基和羅伯遜最早研究了泄洪洞通氣量，得到的經驗式為β=m(Fr－1)n，式中:β為氣水比;Fr為躍前斷面的弗勞德教;系數m= 0．0066;n=1．4［3］。之后，康拜爾和蓋頓等沿著這一思路對需氣量的規律進行了研究，對公式進行了相應的改進;陳肇和通過原型觀測，提出了半經驗、半理論公式。至今，需氣量的模型規律尚未查明，模型試驗還不能真實地模擬需氣量的原型規律，而原型觀測又受到眾多客觀條件的限制。筆者采用三維數值模擬的方法，研究了通風洞面積對泄洪洞通氣量及風場的影響，旨在為通風洞的設計提供理論參考依據。

1 數學模型

1．1 基本方程

筆者采用了標準k－ε雙方程紊流模型，其控制方程為:

k方程

ε方程

式中 t為時間;ui，xi分別為速度分量和坐標分量;ρ和μ分別為體積分數平均密度和分子黏性系數;P為修正壓力;μt為紊流黏性系數，可由紊動能k和紊動耗散率ε求出;σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特數，σk=1，σε=1．3;C1ε和C2ε為ε方程常數，分別為1．44和1．92;G為由平均速度梯度引起的紊動能產生項，由下式定義:

1．2 計算體型

泄洪洞由進口有壓段、閘室段、閘室通風洞和無壓洞段組成，整體布置情況見圖1。有壓段橫斷面為矩形，寬8m，高6．6m，長20m，通風洞橫斷面為矩形，長度為50m，斷面尺寸見表1。筆者計算了通風洞面積分別為18m2、36m2、72m2、108m2及144m25種情況下通風洞風量及泄洪洞內風場。閘室高20m，寬8m。閘后泄洪洞無壓段長150m，斷面為矩形，寬8m，高12m，底坡為9%。

圖1 泄洪洞整體布置圖

表1 計算體型通風面積表

1．3 邊界條件與計算網格

泄洪洞進口條件設置為速度進口，速度為30 m/s，閘門均為全開情況。閘室通風洞進口設置為壓力進口，閘后無壓洞段出口設置為壓力出口。計算體型較為規則，均為結構化網格;對水流和空氣流動影響較大方向的網格進行了加密，最小網格尺寸長、寬、高均為0．3m。

2 計算結果及分析

2．1 通風洞面積對通風洞平均風速和通風量的影響

所計算的泄洪洞除在閘室段設置了通風洞外，未設置任何其他通氣設施，是一個相對較為封閉的體系［5］。可以認為:泄洪洞內通氣量的來源為閘室處通風洞的通風量和泄洪洞出口可能存在的逆向補氣量，且前者占主要部分。在計算通風洞通風量時，取通風洞中間斷面的平均風速乘以通風洞斷面面積，風速、風量計算結果見表2。

圖2為通風洞面積與其平均風速的關系曲線。從圖2中可以看出，當通風面積較小時，增大通風洞面積后平均風速明顯降低。隨著通風洞面積的繼續增大，平均風速降低幅度變小，說明在通風洞面積較小時，面積對風速的影響較大。但隨著通風面積的增大，其對通風洞內風速的影響逐漸變小，通風洞風速并不是隨著通風面積的增大而無限減小。由此可知，對于在確保泄洪洞摻氣充分的前提下要降低通風洞風速，采取增大通風面積的工程措施并不一定總是有效的。

表2 各計算體型風速風量表

圖2 通風洞風速隨通風面積變化曲線圖

圖3為通風洞面積與其通風量的關系曲線。從圖3中可以看出:增大通風面積，通風量隨之增加，但隨著通風面積的繼續增大，通風量的增加幅度明顯減小，最后趨于一個穩定的值。這是因為通風面積較小時，要達到一定的通氣量，通風洞內平均風速相對較高，而隨著通風面積的增大，泄洪洞內的通氣量逐漸達到最大值。一定的流量流速條件下泄洪洞的最大所需通氣量是一定的，由此可知:通風洞的通風量并不會隨著通風面積的增大而無限增大。

圖3 通風洞的通風量隨通風面積變化曲線圖

從圖2、3中還可以看出:通風洞面積為72m2時，曲線趨于平緩。設通風洞平均風速為V1，面積為a，泄洪洞水流平均流速為V2，洞頂余幅面積為A，定義通風系數A以閘室出口處進行計算，則a=72m2時有δ=0．448。可以認為:當通風系數為0．448時，繼續增大通風洞面積對降低通風洞風速、增加泄洪洞通氣量已沒有較顯著的影響。

2．2 通風洞面積對泄洪洞橫斷面風場的影響

筆者所計算的體型在整個閘室后無壓段長度為150m。以計算體型1為例分析無壓段在靠近閘室、中間和泄洪洞出口三個橫斷面的風速場情況見圖4、5、6。從圖中可以看出:水流流速沿程增大，在靠近閘室處由于受到閘室一側不對稱布置的通風洞的影響，風速在整個橫斷面上呈現不均勻分布;而隨著水流的流動，洞頂空氣分布逐漸趨于均勻，最終沿橫斷面中軸呈對稱分布，洞頂沒有明顯的水氣交界面，隨著水流的流動，泄洪洞出口處水氣交界面變得較為清晰。泄洪洞洞頂空氣流速存在負值，說明在出口處存在逆向補氣現象。

圖4 無壓段閘室處斷面速度分布圖

圖5 無壓段中間斷面速度分布圖

圖6 無壓段出口斷面速度分布圖

圖7 通風面積為18m2時無壓段速度分布圖

所分析的不同計算體型閘后無壓段速度場見圖7、8、9、10、11。在閘室兩側對稱設置通風洞以及通風洞面積較小時，無壓段洞頂風速分布較快調整為對稱分布，其原因是通風洞為對稱布置，空氣原本就為對稱進入，通風面積較小則通風量較小，并容易隨著水流的帶動而調整分布，最終沿橫斷面中軸線呈對稱分布形式。從圖7中可以看出:當通風洞面積為18m2時，洞頂空氣流速負值為－10m/s;通風洞面積增大到36m2時，洞頂空氣流速負值變為－5m/s;通風洞面積為72m2、108m2時，空氣流速負值最大值均為－4m/s，最后不存在負值流速，說明通風洞面積增大，泄洪洞出口逆向補氣量逐漸減少。

圖8 通風面積為36m2時無壓段速度分布圖

圖9 通風面積為72m2時無壓段速度分布圖

圖10 通風面積為108m2時無壓段速度分布圖

圖11 通風面積為144m2時無壓段速度分布圖

2．3 通風洞面積對泄洪洞縱斷面風場的影響

由橫斷面流速分布圖7、8、9、10得知:各計算體型泄洪洞出口均存在逆向補氣現象，這是因為水流流動摻氣，而閘室處通風洞進氣量較小，水流需從出口卷進一部分空氣以滿足自身需氣量，此時泄洪洞出口充當了一個補氣洞的作用。由泄洪洞縱斷面速度場可以看出出口逆向補氣的范圍。以計算體型3(即總通風面積為72m2)為例，從圖12中可以看出補氣長度為83m。

圖12 縱斷面速度場圖

筆者采用同樣的方法觀察了五種計算體型泄洪洞縱斷面速度場，從中可以得到從泄洪洞出口開始往上游的補氣長度。由圖13可知:逆向補氣長度隨通風面積的增大而減少。同時可以看出，隨著通風面積的增加，逆向補氣在泄洪洞整個橫斷面所占空間逐漸減小，即逆向補氣量逐漸減少，由此可以得知:當通風面積足夠大、通風洞通風量足以滿足整個泄洪洞的通氣量時，泄洪洞出口將不存在逆向補氣，整個泄洪洞通氣量全部由閘室處通風洞通風量提供。

圖13 逆向補氣長度與通風面積關系圖

3 結語

(1)在泄洪洞有壓段進口流速和閘門開度不變的情況下，增加通風洞的通風面積，通風洞內的平均風速有所降低，變化斜率趨于平緩，通風洞面積對通風洞內風速的影響逐漸變小。由此可知:通風洞風速并不是隨著通風面積的增大而無限減小，泄洪洞內的通氣量隨著通風面積的增大而增大，但其增大幅度是隨通風面積的增大而減小的。

(2)在本文的計算條件下，當通風系數達到0．448時，繼續增大通風洞面積對泄洪洞通氣量已沒有較明顯的影響。

(3)當通風洞通風面積較小、通風量滿足不了泄洪洞水流所需通氣量時，在泄洪洞出口會存在逆向補氣現象。隨著通風面積的增大，通風洞通風量增大，逆向補氣長度由閘室處減小到無壓段中部，逆向補氣量隨之減小;當通風洞通風量足以滿足泄洪洞所需通氣量時，逆向補氣現象將很微弱甚至不存在。

［1］ 李建中，寧利中．高速水力學［M］．西安:西北工業大學出版社，1994．

［2］ 陳肇和，黃文杰，葉壽忠．泄洪管道需氣量原型規律的研究［J］．水利水運科學研究，1986，8(1):1～18．

［3］ 陳肇和，黃文杰，葉壽忠．泄洪管道需氣量研究述評［J］．水利水運科學研究，1987，9(1):83～96．

［4］ 羅惠遠．泄水管道進氣問題的研究［J］．水利學報，1984，28 (8):64～70．

［5］ 岳書波，刁明軍，趙 靜．高速明流泄洪洞的通氣量分析與研究［J］．四川大學學報(工程科學版)，2013，45(4):7～12．

(責任編輯:李燕輝)

“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”課題通過驗收

2014年3月，四川省扶貧和移民工作局委托成都院開展“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”工作。立項后，成立了以成都院和四川省扶貧和移民工作局為主，省國土資源廳、人社廳(社保局)等單位參與的課題組。4月～5月，課題組先后到四川省自貢、巴中等典型市(州)以及貴州、湖北和浙江等地進行外業調研和資料收集工作;6月～10月，課題組編制完成研究報告初稿及相關政策文件，并多次組織征求各方意見，反復討論、修改和完善;11月8日，四川省扶貧和移民工作局邀請了水電總院、水利總院以及水電移民行業內的知名專家，對課題研究成果進行了咨詢。本課題在系統梳理目前水利水電征地移民工作面臨問題的基礎上，對比分析了水利水電征地移民政策面臨的挑戰和發展趨勢，具體闡述了水利水電征地移民改革思路研究，并就土地“兩費”政策、地面附著物補償政策、移民養老保障與社會養老保險并軌政策等九個專題進行了深入的研究和分析，提出了政策調整措施和改革建議。2014年12月12日，四川省扶貧和移民工作局在成都召開了“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”課題成果的驗收會。四川省扶貧和移民工作局副局長劉兵、何智彬、鄒積玉、向偉益、張學勤以及規劃處、法規處、后扶處等部門領導，成都院院長助理李亞農、副總工郭萬偵、征地移民處處長劉煥永及課題組其他成員參加了本次驗收會。成都院征地移民處副專總徐靜對研究成果進行了詳細匯報，并進行了認真討論。參會領導對課題成果給予了高度評價，會議認為研究成果緊密結合國家全面推進深化改革的新形勢，指明了我國水利水電工程征地補償政策改革方向和發展趨勢，具有極強的前瞻性和實踐性，對未來水利水電工程征地移民工作具有重要的指導意義，一致同意通過驗收!

TV13;TV651

B

1001-2184(2014)01-0074-04

李美玲(1990-)，女，河南安陽人，在讀碩士研究生，研究方向:水工水力學;

田 忠(1977-)，男，四川成都人，副研究員，博士后，研究方向:水工水力學．

2014-09-11