低弗氏數(shù)下水流消能特性研究

低弗氏數(shù)下水流消能特性研究

目前，我國科學(xué)家在消能防沖、防汛等方面取得了大量研究成果，解決了許多高流量頭和單用寬流量樞紐的洪水消能問題。隨著水電資源的開發(fā),水頭較高的水電站的開發(fā)會越來越少,低水頭電站的開發(fā)將成為水電建設(shè)的重要方向。低水頭電站泄洪水流弗氏數(shù)一般較小,易形成波狀水躍,消能率不高,大量未消耗的余能會給下游河岸、河床穩(wěn)定帶來威脅。再者,泄水調(diào)度通常要求對稱開閘泄流,然而對于一些小型水電工程,往往因拉沙、運(yùn)行方便等原因,不得不開啟靠近電站進(jìn)口附近的閘孔,形成消力池內(nèi)不對稱的來流,使出池水流分布不均、能量集中,對下游河床的穩(wěn)定極為不利。因此,開展低弗氏數(shù)下的水流消能特性研究,開發(fā)經(jīng)濟(jì)方便的新型消能工,對目前大力提倡的小水電開發(fā)具有重要意義。1試驗(yàn)布局1.1模型試驗(yàn)裝置及模型消力池模型試驗(yàn),在重慶交通大學(xué)重慶市水利水運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室渠化廳的0.31m水槽中進(jìn)行。水槽斷面為矩形,尺寸為14.40m×0.31m×0.30m(長×寬×高),最大流量0.0225m3/s,水槽側(cè)面和底面為有機(jī)玻璃。為保證壩前水流平緩,壩前引水段較長。模型試驗(yàn)的整個(gè)循環(huán)裝置包括:水庫、泵站、平水塔、三角形薄壁量水堰、消能池、穩(wěn)流前池、0.3m直道水槽、穩(wěn)流尾池、尾門和回循環(huán)水廊道等。來流的流量由閥門、三角形薄壁量水堰及一個(gè)可以精確到0.1mm的水位測量裝置控制。水槽的末端設(shè)有活動尾門來調(diào)節(jié)下游水深,用精確到0.1mm的水位測針來控制下游水位。尾水為自由出流。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀缮嫌嗡畮臁⒄劬€實(shí)用堰、光滑斜坡段、消力池、輔助消能工、尾坎組成。模型中壩高0.08m,閘孔寬0.075cm,共3孔,本文研究的來流條件為非對稱,因此試驗(yàn)時(shí)只開1號孔。消力池順?biāo)鞣较蜷L0.42m,寬0.31m。在消力池尾部設(shè)置尾坎,坎高0.03m(見圖1)。1.2輔助消能工布置為了對不同形式的輔助消能工進(jìn)行對比試驗(yàn)研究在試驗(yàn)過程中,需要改變輔助消能工的形式和布置方式,因此選用了旋槳式消力墩、消力坎、常規(guī)消力墩、旋槳組合消力墩等。圖2為3種非連續(xù)消能工的實(shí)物圖,從左至右依次為旋槳組合消力墩、旋槳式消力墩、常規(guī)消力墩。1.3旋槳式消力墩的結(jié)構(gòu)布置(1)來流條件Fr1。在未加設(shè)輔助消能工時(shí),低弗氏數(shù)水躍是工程中應(yīng)加以重點(diǎn)防治的水流流態(tài)。本文采用的4級流量所對應(yīng)的弗氏數(shù)均屬于低弗氏數(shù)范疇,各級流量與水位對應(yīng)關(guān)系見表1。(2)消能工參數(shù)。除了消力池尺寸不變以外,各種輔助消能工迎水面的位置一樣,距離消力池池首15cm。研究消力坎時(shí),其厚度保持在2.5cm不變,而高度從1.5cm逐漸增加到4.5cm,共4種高度,分別為1.5,2.5,3.5cm和4.5cm。研究非連續(xù)型輔助消能工時(shí),提出了3種不同消力墩的3種布置形式。試驗(yàn)方案對應(yīng)的編號見表2。由于旋槳式消力墩的尺寸已固定,直徑為5.5cm,因此常規(guī)消力墩的寬度也選為5.5cm。由前人的研究結(jié)果可知,常規(guī)消力墩高度稍大于尾坎高度,消能效果較好。故在常規(guī)消力墩試驗(yàn)和旋槳組合消力墩試驗(yàn)時(shí),消力墩的高度都為3.5cm。1.4輔助消能工前后斷面位置試驗(yàn)的測量區(qū)域斷面布控情況如圖3所示。0-005、0-050及0-100斷面是為驗(yàn)證上游來水的平穩(wěn)性,以更準(zhǔn)確地模擬天然河道來流。0+00為池首斷面(1號),輔助消能工前后各5cm處,定義為0+10斷面(2號)、0+22.5斷面(4號);測量水位時(shí),在輔助消能工附近還設(shè)置了一個(gè)斷面,定義為0+16.5斷面(3號)。尾坎軸線上定義為0+41斷面(5號,代表尾坎頂斷面)。在尾坎后5cm和20cm處分別設(shè)布控?cái)嗝嬉粋€(gè),以觀察水流出消力池后的泄流情況,上述2個(gè)斷面依次記錄為0+47斷面(6號)、0+62斷面(7號,代表與下游水流銜接狀態(tài))。流速測量采用三點(diǎn)法,自水面從上往下分別記為v0.2、v0.6、v0.8。2消能試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)消力臺2.1旋槳式消力墩前后和能量損失系數(shù)水流在旋槳式消力墩的阻擋下,主流迅速發(fā)生橫向擴(kuò)散,消力池中回流范圍減小,出池水流較平順。水流流經(jīng)旋槳式消力墩后,流向發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)流速分布調(diào)整,且水流沖擊旋槳式消力墩旋轉(zhuǎn)會消耗部分動能(見圖4)。對比橫斷面流速分布(見圖5,6),可知加設(shè)旋槳式消力墩后,垂線平均流速在橫向上的分布更均勻了,最大流速平均減小15%~39%。分析臨底流速的縱向分布得知,加設(shè)旋槳式消力墩后最小流速有所減小,且發(fā)生的位置提前了,回流范圍明顯減小且強(qiáng)度顯著變?nèi)?。加設(shè)旋槳式消力墩后,水躍的位置發(fā)生了變化。方案0的水躍發(fā)生在尾坎附近,因此統(tǒng)計(jì)的水躍頂點(diǎn)水位為尾坎處的水位,即統(tǒng)計(jì)的水躍頂點(diǎn)為距離消力池首41cm的尾坎處測點(diǎn)。加設(shè)旋槳式消力墩后,水躍的位置發(fā)生改變,水躍頂點(diǎn)為距離消力池首16.5cm,備注的數(shù)據(jù)為無輔助消能工時(shí)距離消力池首16.5cm測點(diǎn)的水位(見表3)。通過底流流速系數(shù)定量分析了底流在垂線平均流速中所占的比例。加設(shè)旋槳式消力墩后,底流流速系數(shù)變小了,流速的垂向均方差、橫向均方差整體也減小了,特別是消力池左側(cè)的垂向均方差減幅平均達(dá)50%。底流的橫向均方差平均減小了約55%;加設(shè)旋槳式消力墩后水流的流速重心靠近水槽中心線。加設(shè)旋槳式消力墩后,單股水流的動能急劇減小,動能最大值的最高減幅為76.91%,平均減幅52.32%。0+22.5斷面最大動能的減小尤為顯著,平均減幅達(dá)65.89%。與方案1相比,方案2、3的減幅分別增加了10.57%,16.14%,方案2在方案1的基礎(chǔ)上提高了23.94%,而方案3在方案2的基礎(chǔ)上只提高了10.54%。在低弗氏數(shù)下,消力池中加設(shè)旋槳式消力墩后,能量損失系數(shù)明顯增大,從無輔助消能工時(shí)的0.277增大到了0.395,0.423,0.426,消能效果提高了49.87%。說明加設(shè)旋槳式消力墩后,能量轉(zhuǎn)換途徑發(fā)生了改變,動能更多地轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。2.2輔助消能工主要作用區(qū)域內(nèi)流場分布圖7展示了4種輔助消能工下的消力池內(nèi)水流流態(tài)。從圖中可看出,消力坎將主流雍得最高,水流在翻越消力坎的時(shí)候迅速擴(kuò)散開來;常規(guī)消力墩、旋槳組合消力墩對水流的阻攔作用相當(dāng),稍遜于消力坎;旋槳式消力墩對高速水流的攔截作用顯然次于其他的輔助消能工?？v使4種輔助消能工下消力池內(nèi)的流態(tài)不盡相同,水流出池時(shí)已比較平順。從輔助消能工主要作用之一的流速調(diào)勻效果來看,其優(yōu)劣次序?yàn)橄?、旋槳組合消力墩、常規(guī)消力墩、旋槳式消力墩。尾坎斷面的最大流速相對比值為0.83∶0.84∶0.87∶1.00,流速極差相對比值為0.33∶0.71∶0.78∶1.00;底流橫向分布均方差相對比值為0.12∶0.44∶0.42∶1.00,表流為0.77∶0.76∶0.86∶1.00。消力坎調(diào)勻效果具有明顯優(yōu)勢,而單設(shè)旋槳式消力墩的流速調(diào)勻效果相比其他型式消能工還有較大差距。從輔助消能工關(guān)鍵作用的消能效果分析,各種輔助消能工以及各級流量的能量損失系數(shù)相差很小,在0.387~0.472之間變化。相比較而言,消力坎的能量損失系數(shù)稍大,大約高出5.23%,其他3種輔助消能工基本相當(dāng)。在常規(guī)消力墩前加設(shè)旋槳后,在垂向調(diào)流效果方面優(yōu)于其他輔助消能工,并能在一定程度上減弱單股動能,調(diào)勻流速橫向分布,但效果不甚明顯。3流速均勻性綜合評價(jià)結(jié)果(1)在非對稱來流條件下,通過消力池及出池水流的流態(tài)、單股水流最大動能、流速分布、流速均方差、流速重心、能量損失系數(shù)等對比分析,表明消力池內(nèi)加設(shè)旋槳式消力墩后,水流調(diào)勻效果十分明顯,消能效果顯著提高。出池最大流速最大可減小30%,臨底流速可減小40%~60%,表征流速分布均勻性的流速均方差減小約50%,平均能量損失系數(shù)從無輔助消能工的0.277提高到0.395~0.426,單股水流最大動能急劇減小,最高降幅達(dá)76.91%,平均降幅52.32%。(2)通過多種輔助消能工對比試驗(yàn),綜合分析消能工流速調(diào)勻和消能效果,其優(yōu)劣次序?yàn)橄病⑿龢M合消力墩、常規(guī)消力墩、旋槳式消力墩。出池最大流速相對比值為0.83∶0.84∶0.87∶1.00,底流橫向分布均方差相對比值為0.