水平旋流內(nèi)消能泄洪洞段與尾水洞段流態(tài)適用性研究

趙 洋， 牛爭鳴， 李奇龍， 王天時(shí)， 賈 飛

(西安理工大學(xué)， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

旋流式消能是在旋流洞內(nèi)設(shè)置起旋裝置[1]，使水流在洞內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)進(jìn)行消能的內(nèi)消能方式，具有消能率高、施工簡單和布置靈活等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。曹雙利[4]通過模型試驗(yàn)，在旋流條件下對水平旋流內(nèi)消能泄洪洞環(huán)流空腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)的變化規(guī)律及與各水力特性的關(guān)系進(jìn)行了研究。南軍虎等[5]采用原型與不同比尺模型試驗(yàn)對比和理論分析的方法，研究了公伯峽水平旋流泄洪洞的水力特性，初步探討了模型的縮尺效應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)水流挾氣使空腔內(nèi)形成負(fù)壓，通風(fēng)由通氣孔進(jìn)出口的壓差產(chǎn)生，空腔內(nèi)真空度是原、模型通風(fēng)量相似的主要影響因素[6]。李奇龍等[7-8]通過數(shù)值模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)旋流洞段發(fā)生空化空蝕可能性較小，而擴(kuò)散段末端有出現(xiàn)空化空蝕的可能性，然后對泄洪洞在不同阻塞體型下的流態(tài)進(jìn)行研究。洪鏑等[9]研究表明環(huán)形摻氣坎上游豎井段、起旋室內(nèi)及水平旋流洞內(nèi)壓力隨時(shí)間變化趨勢原型和模型的基本一致，符合重力相似準(zhǔn)則。

牛爭鳴等[10]通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在豎井為有壓流的條件下，水平旋流泄洪洞的流態(tài)可分為自由流、吸吮流和淹沒流3種基本流態(tài)。南軍虎等[11-12]發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬能夠客觀地反映出空腔旋流內(nèi)部的流場特性。栗帥等[13]通過數(shù)值模擬獲得了各個(gè)流段不同的水流流態(tài)、流速、壓強(qiáng)以及消能率的沿程分布和特性，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好。丁浩鐸[14]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)上游水位一定時(shí)，起旋器喉口和阻塞孔口收縮比決定了大坡降水平旋流洞段的流態(tài)及各項(xiàng)水力特性。南軍虎等[15]、牛爭鳴等[16-17]為了揭示空腔旋流內(nèi)部的壓強(qiáng)特性，以公伯峽水平旋流消能工為例，采用理論分析、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行了分析。南海龍[18]研究水流的流態(tài)與工作水頭的關(guān)系，通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)對水流流態(tài)進(jìn)行分類，并得到臨界工作水頭的變化范圍。

本文通過一種新型的泄洪內(nèi)消能工模型試驗(yàn)，探究水平旋流洞段空腔直徑變化規(guī)律，根據(jù)明渠水躍流態(tài)的發(fā)展變化，將下游水平旋流洞段與尾水洞段的水流流態(tài)分為3種：旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍、旋流臨界水躍、旋流淹沒出流，并且探究不同水流流態(tài)滿足的下游水位條件，為水平旋流洞洞身設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

本研究主要采用系列水工模型試驗(yàn)與影響因素的量綱分析方法，并結(jié)合必要的理論分析進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶粗亓ο嗨圃O(shè)計(jì)，幾何比尺1∶60.25，各物理量原型與模型的比尺關(guān)系見表1。試驗(yàn)按原型流量1 200 m3/s，最大總作用水頭150 m進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 上游進(jìn)口段直徑的選擇

表1 原、模型各物理量的比尺關(guān)系

2.2 起旋器的設(shè)計(jì)

起旋器孔口的泄流能力按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Q2為起旋器孔口泄流量，m3/s；μ2為起旋器孔口流量系數(shù)，取0.3～0.4；A為起旋器孔口過流面積，m2；H2為起旋器孔口處總的作用水頭，m；Pv為水平旋流洞段壁面壓強(qiáng)值，m。

2.3 模型試驗(yàn)工況

本文提出的梯級內(nèi)消能工模型主要由兩部分組成，第1部分為水平洞內(nèi)的收縮淹沒射流消能，第2部分為豎井接水平旋流洞再接阻塞擴(kuò)散段的旋流消能與阻塞擴(kuò)散消能。設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)工況如表2所示(H為上游水位，h為下游水位，D為管道直徑)。

表2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況

2.4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

整個(gè)模型部分主要由上游水平淹沒射流洞段和下游水平旋流洞段組成。模型示意圖如圖1所示，現(xiàn)場安裝模型如圖2所示。選取上游進(jìn)口段管徑d1=16cm，管長L1可選擇(5～10)d1，因此取L1=5d1=5×16=80 cm。上游擴(kuò)散段管長L2，可選擇(5～10)d1，選擇L2=9d1=144 cm，管徑選擇21 cm。通過公式(1)的計(jì)算，豎井段和起旋器連接部分設(shè)計(jì)為圓變方，上邊圓的直徑為15 cm，與起旋器連接處為15 cm×9.33 cm的長方形接口。旋流洞直徑選擇與上游淹沒射流洞段射流前的管道直徑相同，即d3=16 cm，旋流洞長度選擇L3=8D=128 cm。尾水管直徑選擇現(xiàn)有的d4=21 cm管徑，長度L4=18D=288cm。下游阻塞采用圓臺體，長度為23cm,直徑從16cm逐漸過渡到13cm。

3 結(jié)果與討論

3.1 水平旋流洞段空腔直徑變化特性

本文結(jié)合相關(guān)研究成果，在不同上游水位下對水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的空腔直徑及空腔位置進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖3、4所示。其中X為以起旋器最前端為基點(diǎn)沿水平旋流洞方向的距離，D為水平旋流洞洞徑，r為空腔半徑。無量綱因次量X/D表示相對洞徑大小水平旋流洞方向的距離，X/D=0為起旋器最前端，X/D=9.1為水平旋流洞末端，X/D=10.3為阻塞收縮段末端。

圖1 模型設(shè)計(jì)示意圖 圖2 模型安裝現(xiàn)場圖

圖3 上游水位12D時(shí)空腔直徑沿程變化規(guī)律 圖4 上游水位10.9D時(shí)空腔直徑沿程變化規(guī)律

根據(jù)圖3和圖4分析可知，對于不同的上游水位，空腔直徑沿程變化的趨勢基本上均呈現(xiàn)出先增大、再減小、再增大的規(guī)律。當(dāng)相對洞徑大小水平旋流洞方向的距離即0

當(dāng)1.5

當(dāng)9.19.1時(shí)，隨著旋流洞洞徑逐漸收縮，旋轉(zhuǎn)水流流速逐漸增大，空腔直徑逐漸增大。

3.2 下游水平旋流洞段與尾水洞段流態(tài)特性

為了觀測下游水平旋流洞段和尾水洞段的流態(tài)，選擇上游水位10.9D時(shí)，下游水位分別為0.5D、0.85D、1.0D、1.25D、1.6D、3.2D6種工況進(jìn)行觀測。試驗(yàn)中同時(shí)觀測下游水平旋流洞內(nèi)空腔直徑的變化和尾水流態(tài)變化，觀測結(jié)果歸納為以下幾點(diǎn)：

(1)下游尾水洞明流狀態(tài)。當(dāng)下游水位h<0.5D時(shí)，旋流洞段的旋流空腔直徑基本穩(wěn)定，水流進(jìn)入尾水洞段在很短的距離內(nèi)與氣體完成了混摻，由于水流慣性的作用旋轉(zhuǎn)還會(huì)前進(jìn)一段距離，一定距離后才會(huì)形成明流狀態(tài)，該流態(tài)一直保持至尾水池中，對于尾水管中水流無影響。

(2)下游尾水洞遠(yuǎn)驅(qū)水躍狀態(tài)。當(dāng)下游水位0.5D﹤h﹤0.85D，下游水躍進(jìn)入尾水管道中，還未與擴(kuò)散段相連接，擴(kuò)散段后內(nèi)部仍是旋流空腔，如圖5和6所示，在擴(kuò)散后大約5D距離后形成明流，再經(jīng)過一段明流距離與下游水流相接，形成水躍，隨著下游水位的不斷增高，尾水洞段的明流區(qū)域不斷減小，直至消失。

(3)下游尾水洞段臨界水躍狀態(tài)。當(dāng)下游水位0.85D﹤h﹤0.95D時(shí)，此時(shí)尾水洞段明流區(qū)域已經(jīng)消失，阻塞擴(kuò)散段后的旋轉(zhuǎn)水流與下游水位影響尾水管的水流進(jìn)行連接，如圖7所示。此時(shí)水流流態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)因?yàn)橄掠嗡换蛘呱嫌嗡坏奈⑿∽兓淖儯谘蜎]流與明流之間轉(zhuǎn)化。

(4)下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(有空腔)。當(dāng)下游水位0.95D﹤h﹤1.25D時(shí)，下游的氣體不斷進(jìn)入到尾水管中，直至淹沒。下游水位對于擴(kuò)散段旋轉(zhuǎn)流影響很大，阻塞擴(kuò)散后的水流距離不斷減小，直至消失，在尾水洞段形成了淹沒流，在管道中逐漸形成穩(wěn)定的氣腔，沿著水流的方向，空腔直徑逐漸減小，直至消失，如圖8所示。水平旋流洞段的空腔直徑變化不大。

(5)下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(無空腔)。當(dāng)下游水位1.25D﹤h﹤3.2D時(shí)，下游水位對于尾水洞段和旋流洞段影響極大，如圖9所示，尾水洞段的空腔逐漸向阻塞口推進(jìn)，尾水洞段為無氣泡的淹沒射流。旋流洞段的空腔直徑不斷減小，阻塞口與尾水洞段的接口處，水氣兩相流也慢慢消失，淹沒流逐漸向旋流洞內(nèi)靠近。在起旋器處的通氣管道中，可以明顯看出有水流逐漸淹沒通氣孔，最高可達(dá)0.3D。

(6)下游尾水洞段與旋流洞段全淹沒狀態(tài)。隨著上述5種流態(tài)變化趨勢，可以得出：當(dāng)下游水位h大于3.2D時(shí)，下游水位的不斷增加，會(huì)逐漸淹沒水平旋流洞，洞中的旋流空腔直徑會(huì)慢慢變小，直至消失，如圖10所示。此種狀態(tài)為下游全淹沒狀態(tài)，在整個(gè)下游均為淹沒流流態(tài)，通氣孔中也會(huì)出現(xiàn)水流，不會(huì)再有氣體的吸入與排出，但是水流的流速及壓強(qiáng)還是旋轉(zhuǎn)流的水力特性。

3.3 下游水平旋流洞段與尾水洞段洞壁壓強(qiáng)特性

上游水位分別為12D、10.9D的情況下，不同下游水位條件下水平旋流段及尾水洞段壁面壓強(qiáng)觀測結(jié)果如圖11、12所示。

根據(jù)圖11和圖12的數(shù)據(jù)分析，在同一上游水位情況下，隨著下游水位的變化，水平旋流洞壁面壓強(qiáng)和尾水洞段壁面壓強(qiáng)變化趨勢相同；當(dāng)下游水位h在0.5D和2.0D之間變化時(shí)，旋流洞段管壁壓強(qiáng)相對變化幅度不大，當(dāng)h大于2.0D時(shí)，管壁壓強(qiáng)變化幅度較大，下游水位對于旋流洞管壁壓強(qiáng)影響很大，隨著下游水位的升高，旋流洞管壁壓強(qiáng)增大；當(dāng)水流經(jīng)過下游阻塞收縮斷時(shí)，由于流速增大，管壁壓強(qiáng)極小，小于0.1H，在經(jīng)過收縮段到尾水洞時(shí)，由于是空腔中的空氣與水在極短的距離混合，流態(tài)復(fù)雜，會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。尾水洞段管壁壓強(qiáng)沿程減小，沿程變化幅度較小，但是受到下游水位的影響較大。

圖5 旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍出口段 圖6 旋流遠(yuǎn)驅(qū)水躍中間段 圖7 旋流臨界水躍

圖8 旋流淹沒水躍(有空腔) 圖9 旋流淹沒水躍(無空腔) 圖10 下游水平旋流洞段全淹沒水躍

圖11 上游水位12D時(shí)不同下游水位旋流洞壓強(qiáng) 圖12 上游水位10.9D時(shí)不同下游水位旋流洞壓強(qiáng)

4 結(jié) 論

(1)水平旋流內(nèi)消能工下游尾水洞段和水平旋流洞段流態(tài)可細(xì)分為以下6種：下游尾水洞明流狀態(tài)；下游尾水洞遠(yuǎn)驅(qū)水躍狀態(tài)；下游尾水洞段臨界狀態(tài)；下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(有空腔)；下游尾水洞段淹沒狀態(tài)(無空腔)；下游尾水洞段與旋流洞段全淹沒狀態(tài)。

(2)當(dāng)水平旋流洞方向的距離即0

(3)上游水位H=8.0D、下游水位為明流狀態(tài)時(shí)，淹沒射流段為明流狀態(tài)，豎井為下跌流態(tài)，并形成淹沒流態(tài)，此時(shí)由于水流對于豎井管壁的撞擊，豎井管震動(dòng)較大。上游水位H=8.26D、下游水位為明流狀態(tài)時(shí)，豎井段的水位在上游管道中心，上游可看到射流狀態(tài)，豎井段中摻氣明顯，為水氣兩相流直致起旋器形成旋流，并且豎井有水躍向射流段推進(jìn)。

[1] 安豐勇.水平旋流內(nèi)消能泄洪洞的阻塞效應(yīng)研究[D].西安：西安理工大學(xué),2005.

[2] 賀立強(qiáng).公伯峽水平旋流式泄洪洞試驗(yàn)研究及運(yùn)行方式的優(yōu)化[D].西安：西安理工大學(xué),2006.

[3] 吳小麗.水平旋流泄洪洞空化特性及相似律問題的初步探討[D].西安：西安理工大學(xué),2010.

[4] 曹雙利.旋流條件下通氣孔通風(fēng)量和環(huán)流空腔內(nèi)氣體壓

強(qiáng)的變化規(guī)律[D].西安：西安理工大學(xué),2005.

[5] 南軍虎,牛爭鳴,洪 鏑，等.公伯峽水平旋流泄洪洞水力特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2013,32(3):101-107.

[6] 牛爭鳴,南軍虎,洪 鏑，等.水平旋流泄洪洞通風(fēng)量相似性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2013,32(4):77-81+142.[7] 李奇龍,牛爭鳴,王 捷.基于準(zhǔn)自由渦分布的阻塞旋流泄洪洞流場分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2014,46(5):49-57.

[8] 李奇龍,牛爭鳴,葛 晨，等.泄洪洞內(nèi)具有阻塞與擴(kuò)散段的水平旋流消能方式水力特性的試驗(yàn)與數(shù)值模擬(1)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2014,33(5):145-151.

[9] 洪 鏑,牛爭鳴,南軍虎，等.水平旋流泄洪洞原型和模型的脈動(dòng)壓力特性對比與分析[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2010,25(6):727-736.

[10] 牛爭鳴,張宗孝,張壯志.水平旋流泄洪洞的基本流態(tài)與影響因素[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(4):1-5.

[11] 南軍虎,牛爭鳴,張 東.旋流消能工內(nèi)空腔旋流的數(shù)值模型[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2015,47(1):76-83.

[12] 南軍虎,牛爭鳴,張 東.旋流消能工內(nèi)空腔旋流的流速特性[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2016,48(2):41-47.

[13] 栗 帥,張建民,胡小禹，等.淹沒型旋流豎井泄洪洞流態(tài)過渡的數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2014,46(4):13-19.

[14] 丁浩鐸.大坡降復(fù)合式旋流阻塞內(nèi)消能泄洪洞的水力特性研究[D].西安：西安理工大學(xué),2009.

[15] 南軍虎,牛爭鳴,張 東，等.旋流消能工內(nèi)空腔旋流的壓強(qiáng)特性[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2016,24(2):272-281.[16] 牛爭鳴,洪 鏑,張浩博，等.公伯峽旋流泄洪洞的水力特性與原型觀測[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2008,27(4):30-35.[17] 牛爭鳴,洪 鏑,謝小平，等.導(dǎo)流洞改建為旋流式內(nèi)消能泄洪洞的研究和實(shí)踐——以公伯峽水電站為例[J].水利水電科技進(jìn)展,2007,27(1):36-41.

[18] 南海龍.泄洪洞突擴(kuò)、突跌水流流態(tài)及其摻氣水力特性研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2015.