齒墩間距對二級齒墩式消能工消能效率的影響

李維玉　田淳　李斌

摘要：為了進一步了解二級齒墩式消能工的水力特性及消能特性，結合前期對單級齒墩式消能工的研究，選取齒墩數目為4、面積收縮比為0.5的兩級體形相同的齒墩開展試驗，分析兩級齒墩的間距變化對內消能工的影響，試驗段有機玻璃管管徑D為15.0 cm，齒墩間距分別為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD。試驗結果表明：在試驗范圍內，兩齒墩間的相互影響隨間距的增大逐漸減小，間距增大局部阻力系數和消能率增大，過流能力減弱;當齒墩間距超過6.7D時，兩齒墩間互不影響，消能率和過流能力基本上不再變化。

關鍵詞：二級齒墩;齒墩間距：脈動壓強;過流能力;消能率

中圖分類號：TV134.2

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.024

突擴突縮式消能工主要以孔板和洞塞兩種消能方式為代表，它們的消能原理是通過改變管道內部水流的過流面積使水體的能量產生損耗。目前國內關于它們的研究很多。劉善均等[1]對洞塞泄洪洞的布置形式、各級洞塞之間的尺寸比例關系進行了全面的研究，并結合實際工程進行計算，驗證了洞塞消能在改建泄洪洞方面的優越性。小浪底工程在導流洞中設置多級孔板取得了良好的效果[2]。關于多級突擴突縮內消能工的研究主要集中在斷面收縮比和前后孔板或洞塞的間距上，夏慶福等[3]通過對二級洞塞消能工進行數值模擬，分別研究了過流斷面收縮比和兩個洞塞的間距對各級洞塞水頭損失系數的影響，得出多級洞塞布置時最短距離應大于4倍的過流直徑。白兆亮等[4]模擬了二級孔板在不同間距下管道中水流流場分布，并分析了相互影響的機理。近幾年，薛冬等[5-7]在突擴突縮式消能工的基礎上進行改進探索，提出了齒墩式消能工，分別對齒墩數量相同、面積收縮比不同和面積收縮比相同、齒墩數量不同等工況進行了試驗研究，試驗前期研究主要集中在單級齒墩上。筆者在該前期研究的基礎上，對二級齒墩的消能特性進行了進一步試驗研究。

1 試驗裝置及試驗方案

本試驗是在單級齒墩的基礎上進行的，試驗裝置由溢流水箱、電磁流量計、有壓管道和兩個閥門等組成，鋼管和有機玻璃管通過法蘭連接組成了有壓管道。齒墩段采用有機玻璃管制作，不僅加工方便而且有助于觀察管道內的水流形態。試驗段中的有機玻璃管總長370.0 cm，管徑D為15.0 cm.有機玻璃管前留有110.0 cm的長度，可以使水流到達第一級齒墩前達到穩定狀態，第二級齒墩之后留有足夠的長度保證水流得到充分恢復，管道的尾部為有壓出流。試驗裝置和齒墩間距布置見圖1。

有壓管道內兩級齒墩的體形相同：齒墩數目為4，齒墩高度為3.75 cm，面積收縮比ε為0.5（ε=A1/，其中：A1為水流經過齒墩時的過流面積，A為有機玻璃管斷面面積），齒墩長13.5 cm，具體尺寸如圖2所示。第二級齒墩與第一級齒墩的間距d為從第一級齒墩進口到第二級齒墩進口的距離，分別取40、60、80、100、120cm，即約為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD（D為管道直徑）。

管道中水流的流量通過閥門調節，大小在電磁流量計上可以顯示出來，試驗采用的電磁流量計的最大量程為600 m/h.測量精度為+0.5%，試驗流量范圍為9 - 45 L/s.間隔3L/s測一次，共測13個。試驗中壓力的測量采用的是CY201高精度數字壓力傳感器，通過系統軟件連接計算機自動控制數據的采集，測量精度可以達到0.1%。整個試驗段根據兩齒墩間距的不同設置18 -19個壓力測量斷面，由于水流在齒墩附近壓力變化較大，經過齒墩段后逐漸恢復，因此壓力測點的布置原則為在齒墩前后處加密，在兩齒墩之間均勻布置，在齒墩后測點間距逐漸增大，以齒墩間距為80cm的測點布置為例.見圖3。

2 試驗結果分析

2.1 壓強特性分析

2.1.1 時均壓強（γ為水的容重;v為流速;g為重力加速度）和x/D（定義x在第一級齒墩的進口處為o）分別為縱、橫坐標，P為第i個測點的時均壓強，Pmin為各測點最小時均壓強。可以看出，5種間距下時均壓強變化趨勢基本一致，在進入齒墩段前比較穩定，然后分別在兩級齒墩處先下降后逐漸回升，并且在第一級齒墩進出口處分布規律基本相同。在兩級齒墩之間，隨著齒墩間距的增大，壓強逐漸恢復，各方案第二級齒墩前后的壓強差分別為流速水頭的4.29、4.31、4.45、4.75、4.64倍，時均壓強最小值都出現在第二級齒墩之后，齒墩間距不同時，最小值出現的位置不同。

2.1.2 脈動壓強

各測點水流的壓強是不斷變化的，變化的劇烈程度可以用脈動壓強的均方根σ體現：別為橫、縱坐標繪制各方案在同一流量（36 L/s）下的C沿水流方向分布圖（見圖5）。由圖5可知：①各方案的脈動壓強系數都經過了4次波動，分別在各級齒墩進口處和齒墩段后距齒墩進口1.4倍的管徑處，并且齒墩段后的波動明顯都比齒墩進口處的大，除了兩級齒墩段外，其他地方的脈動壓強系數基本沒有波動。產生這種現象是因為水流從流人齒墩到流出齒墩，經歷了過流面積突然縮小和突然擴大兩個過程，導致水流流速發生了比較強烈的變化，尤其在齒墩段后管道中心流速大于周圍流速，水流產生了旋滾，流速梯度增大，所以齒墩段后的脈動要比齒墩進口處的脈動強度大。②第一級齒墩進口和齒墩段后的脈動壓強系數峰值基本相同，第二級齒墩進口和齒墩段后的脈動壓強系數峰值比第一級齒墩處的大，且第二級齒墩處的脈動壓強系數隨間距的增大逐漸減小。第二級齒墩段后的脈動壓強系數峰值分別為0. 431、0.423、0.396、0.348、0.346，可以看出間距增大到6.7D后，前后兩級齒墩處的脈動壓強系數峰值基本相同，原因是第一級齒墩后的水流已經基本恢復穩定狀態，兩級齒墩之間互不影響。

2.2過流能力分析

流量系數可以體現有壓管道過流能力，計算公式為均流速;v為運動黏滯系數）可以判斷管道內水流流態。通過繪制流量系數μc與Re的關系曲線，可以反映不同水流流態下各方案的過流能力，μc與Re的關系曲線見圖6。可以看出，不同齒墩間距下流量系數的變化趨勢近似，即隨著Re的逐漸增大，流量系數μc先迅速增大，然后逐漸變得平穩，表明Re會影響過流能力。當Re較小時，水流處于紊流過渡區，流量系數μc隨著Re的增大而增大：當Re高于1.8x10以后，水流處于完全紊流狀態，流量系數μc基本保持平穩。對比齒墩間距不同的試驗方案，相同R情況下，間距為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D的流量系數依次減小，齒墩間距為8. OD和6.7D的流量系數曲線幾乎重合，由此說明二級齒墩的間距對過流能力是有影響的，雷諾數不變時，兩齒墩之間的間距增大，流量系數減小，也就是過流能力減小，當兩齒墩的間距超過6. 7D時，過流能力基本保持不變。建立Re>l. 8x105后各方案流量系數的平均值μc與齒墩間距x/D的關系：

利用式（3）可以計算出Re>1.8x10后不同齒墩間距下二級齒墩式消能工的流量系數并推算出其相應的過流能力。 2.3 局部阻力系數分析

局部阻力系數ζ可以直觀地體現水流能量損耗情況，因此可以用來判斷消能效果的好壞，其計算公式為式中：△H為消能前后的總水頭差。

為了分析第一、二級齒墩的消能效果，定義第一、二級齒墩在試驗流量范圍內的局部阻力系數平均值分別為ζ1和ζ2，兩級齒墩總的局部阻力系數平均值為ζ（ζ=ζl +ζ2）。計算時壓強取值點分別取齒墩前后相同位置處及兩級齒墩中間壓強恢復最高點處，局部阻力系數與齒墩間距的關系見圖7。

由圖7可知：在其他條件不變的情況下，當齒墩間距小于6.7D時，由于兩齒墩之間互相影響，ζ1>ζ2，因此它們的局部阻力系數相差較大。隨著齒墩間距的增大，第一級齒墩的局部阻力系數ζ1變化平緩，稍有減小趨勢，第二級齒墩的局部阻力系數ζ2逐漸增大，兩條曲線漸漸接近。當齒墩間距大于6.7D后，第一、二級齒墩的消能系數接近，都達到了2.39。其中第二級齒墩的局部阻力系數在間距6.7D時比2.7D時增大了42.3%，說明齒墩間距達到6.7D后，旋滾區段的恢復區長度增長，使得齒墩后水流擴散更加充分，在水流到達第二級齒墩時兩齒墩之間已經互不影響。整體局部阻力系數ζ隨齒墩間距的增大而增大，在齒墩間距為6.7D時趨于平緩，基本呈一條直線。可以認為，當齒墩間距大于等于6.7D后，各級齒墩的消能作用都能夠得到充分發揮。

2.4 消能率分析

判斷水工建筑物的消能效果是否良好，最顯著的一個指標是消能率.其計算公式為式中：h為消能前后水頭差;H為各方案2號斷面的總水頭。

用齒墩間距和消能率η分別作為橫縱坐標，選取流量Q=18、27、36 L/s，繪制消能率隨齒墩間距變化的曲線（見圖8）。由圖8可以看出：流量相同時，齒墩間距對消能率是有影響的，齒墩間距增大，各方案的消能率逐漸增大，齒墩間距超過6.7D后趨于平穩，且流量越大間距對消能率的影響越大。流量為18、27、36 L/s的消能率在間距為8. OD時比2.7D時分別提高了11 .4%、19.7%、23. 4%。齒墩間距相同如齒墩間距為8.OD時，流量18、27、36 Us的消能率分別為9.8%、21.8%、40.1%.說明流量越大，齒墩前后的局部水頭損失越大，消能率越大。

3 結論

本文主要分析二級齒墩不同間距對水流特性的影響，主要結論如下：

（1）5種間距下時均壓強和脈動壓強沿水流方向的分布規律近似，均在第一、二級齒墩處波動較大。隨齒墩間距的增大，第二級齒墩前的時均壓強有所增大，第二級齒墩后的脈動壓強系數逐漸減小。

（2）齒墩間距為2.7D時流量系數最大，各方案在Re大于1.8x10后，流量系數基本不再變化。對比5種方案，齒墩間距越大，流量系數越小，說明過流能力越弱。

（3）隨著齒墩間距的增大，管道中流速分布趨于均勻，二級齒墩式消能工的局部阻力系數和消能率均增大，大于6.7D時消能效果較好。

（4）齒墩間距從2.7D增大到6.7D時，兩齒墩間的相互影響會對消能工的過流能力、壓強特性及消能率產生影響。當齒墩間距大于6.7D時，可以忽略兩級齒墩之間的相互影響。

參考文獻：

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【責任編輯張華巖】