跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)流速衰變規(guī)律

崔召王海軍田野

摘要：跌坎型底流消能工消力池內(nèi)的流態(tài)為淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)，為了解淹沒射流區(qū)的水力特性，應(yīng)用紊動(dòng)射流理論，分析了淹沒射流區(qū)主流的擴(kuò)散規(guī)律、主流軸向最大時(shí)均速度的衰變規(guī)律。采用水力學(xué)試驗(yàn)方法，借鑒目前研究成果的基礎(chǔ)上，開展了淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰變規(guī)律的研究。通過試驗(yàn)研究結(jié)果，推導(dǎo)出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰變的半經(jīng)驗(yàn)公式。

關(guān)鍵詞：跌坎型底流消能工；淹沒射流區(qū)；水力特性；紊動(dòng)射流理論；流速衰變規(guī)律；水力學(xué)試驗(yàn)；入池角度；半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

中圖分類號(hào)：TV135 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2016）05015706

Formula of flow rate decay of submerged jet area in fallingsill bottomflow energy dissipation

CUI Zhao1，WANG Haijun1，TIAN Ye2

（1.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；

2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

）

Abstract：The flow pattern in the stilling basin of fallingsill bottomflow energy dissipation was submerged jet and submerged jump mixing flow pattern.In order to understand hydraulic characteristics of the submerged jet region，the mainstream diffusion regularity of submerged jet area and the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity was analyzed by applying plane turbulent jet theory.Based on the hydraulic model experiments，and the results of previous studies，the research on attenuation rule of the mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was conducted.Based on the experimental research results，the Semiempirical formula was deduced，in which the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was controlled by the intake angle.

Key words：fallingsill bottomflow energy dissipation；submerged jet area；hydraulic characteristics；turbulent jet theory；velocity attenuation rule；the hydraulic model experiments；the intake angle；the semiempirical formula.

1 平面自由紊動(dòng)射流理論

1.1 紊動(dòng)射流的分區(qū)結(jié)構(gòu)

紊動(dòng)射流的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為便于分析，常根據(jù)不同的流動(dòng)特征將射流劃分為不同的區(qū)域，見圖1 [1]。

由噴管出口邊界起向內(nèi)外擴(kuò)展的剪切流動(dòng)區(qū)稱為自由剪切層區(qū)或紊動(dòng)混合區(qū)；中心部分未受紊動(dòng)混摻影響，并保持噴管速度的區(qū)域稱為射流核心區(qū)；沿著縱向從噴管出口至核心區(qū)末端的區(qū)域稱為射流的初始段或射流的發(fā)展區(qū)；在初始段下游區(qū)域絕大部分為充分發(fā)展的紊動(dòng)混摻區(qū)，稱為射流的主體段或射流的充分發(fā)展區(qū)；在射流的初始段和主體段之間有過渡段。過渡段較短，在分析中為簡化起見常被忽略，僅將射流分為初始段和主體段[2]。

1.2 紊動(dòng)射流流速分布的相似性

紊動(dòng)射流一個(gè)重要的特點(diǎn)是：在射流的主體段，各斷面縱向時(shí)均速度分布是相似的或自保持的[3]，即各斷面縱向時(shí)均速度分布可用一個(gè)函數(shù)表示為：

2 跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流擴(kuò)散規(guī)律

跌坎型底流消能工[46]的體型為在消力池進(jìn)口處，將消力池的底板向下開挖形成跌坎[7]，構(gòu)成縱剖面上有一定垂直深度的跌坎型消力池。從流態(tài)特點(diǎn)來看，底流流態(tài)為淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)[8]，沿主流方向可分為淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)、附壁射流區(qū)，見圖2 [9]。

3 淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰變理論公式

3.1 目前研究成果

針對(duì)平面自由紊動(dòng)射流水力特性，國外學(xué)者Forthmann早在1934年就對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，所獲得的縱向時(shí)均速度分布結(jié)果成為后來各種理論分析的基礎(chǔ)[1]。其后，又有多名學(xué)者對(duì)平面自由紊動(dòng)射流進(jìn)行了更詳細(xì)的、范圍更廣的量測。

Abramovich（1963）根據(jù)Forthmann等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推求出射流軸向最大時(shí)均速度衰變式為：

本文選取跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度為研究對(duì)象，著重分析了其與跌坎型底流消能工入池角度之間的關(guān)系。

4 試驗(yàn)及成果

4.1 試驗(yàn)裝置和研究內(nèi)容

試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制作而成，試驗(yàn)段消力池的尺寸為12 m×02 m（長×寬）。消力池的跌坎深度分別取006 m、008 m、010 m，泄槽底板末端入池處高程始終與消力池尾坎坎頂高程相同。水流入池角度分別取30°、45°。消力池的入池流量分別為6135×103 m3/s、8027×103 m3/s、10320×103 m3/s。試驗(yàn)中通過對(duì)跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度的量測，分析了淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度的衰變規(guī)律，推求出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰變的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，并對(duì)其進(jìn)行了初步研究與總結(jié)。

4.2 試驗(yàn)成果

跌坎型底流消能工的入池水流進(jìn)入消力池后，由于跌坎的作用，入射水流以淹沒射流的形式存在[1415]。在淹沒射流區(qū)內(nèi)，入射水流克服消力池內(nèi)的水體沿程內(nèi)摩擦切應(yīng)力而做功，使得入射水流的動(dòng)能沿程消散、轉(zhuǎn)移與輸運(yùn)，從而降低了入射主流的流速。采用水力學(xué)試驗(yàn)方法，通過改變?nèi)氤啬芰?，跌坎深度以及入池角度之間的關(guān)系，研究跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度的衰變規(guī)律，同時(shí)初步推求出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰變的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

為研究跌坎深度的變化對(duì)于淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減的影響，分析入池角度一定的工況下，淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減趨勢。

當(dāng)入池角度為30°時(shí)，在不同跌坎深度的工況下，隨著入池能量的改變，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)[JP3]主流軸向最大時(shí)均速度衰減的實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)值見表1。

綜上所述，入池角度的改變對(duì)跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減規(guī)律的影響較大；而在相同入池角度的工況下，跌坎深度的改[HJ2.2mm]變對(duì)淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減規(guī)律的影響較小，故以入池角度為控制目標(biāo)推求出跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減的半經(jīng)驗(yàn)公式。

5 結(jié)語

本文基于紊動(dòng)射流理論，結(jié)合跌坎型底流消能工底流流態(tài)特征，同時(shí)在借鑒目前研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減的半經(jīng)驗(yàn)公式如下：

入池角度為30°時(shí)，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時(shí)均速度衰減率大于入池角度為45°時(shí)的最大時(shí)均速度衰減率。這是由于隨著入池角度的增大，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸線長度逐漸減小，使得淹沒射流區(qū)主流的擴(kuò)散程度逐漸降低，故跌坎型底流消能工消能率的提高不能一味追求入池角度的增大。

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