低弗勞德數(shù)下挑坎體型對摻氣的影響試驗

沈春穎,徐一民,張 濤,儲威威

(1.昆明理工大學電力工程學院,云南昆明 650093;2.云南經(jīng)濟管理職業(yè)學院,云南昆明 650106)

摻氣減蝕的試驗研究一直是高速水力學重點關注的課題,但大部分研究都是結合具體的工程和水工模型試驗,得出的經(jīng)驗公式往往也只針對某些具體的工程。過流邊界條件改變,坎后的水流摻氣特性及回水規(guī)律都有較大的變動,特別當水槽坡度較小時,坎后回水問題較為嚴重,此時挑坎的體型成為坎后摻氣空腔長度及回水深度的關鍵性因素。本試驗旨在研究在小底坡低弗勞德數(shù)水流條件下,坎后空腔長度及空腔回水問題。

1 試驗條件及試驗設計

1.1 試驗條件

試驗在昆明理工大學水利水電工程系水力學實驗室的雙變坡有機玻璃水槽中進行,該玻璃水槽可自動調節(jié)出0°～5.5°的坡度,本次試驗中,上下游底坡坡度相同。全槽長 7.6 m,寬10 cm,邊壁高為30cm。水槽流量用進水閥門調節(jié),來流量的范圍為0～5500cm3/s,出口處連接一直角三角形薄壁堰,用測針測量并用進水閥門控制出流量的大小。目前常用的摻氣設施有摻氣挑坎、摻氣槽、摻氣跌坎及復合式摻氣設施,由于設備的限制,試驗采用摻氣挑坎作為摻氣設施為宜。同時設計出9種不同體型的挑坎模型,置于有機玻璃水槽的下游段,為保證最大空腔長度的完整性及考慮回水等的影響,挑坎與水流出口處距離為2.8m。一般認為Fr＜7為低弗勞德數(shù),試驗Fr的范圍是在2.4～4。圖1為試驗所采用的摻氣挑坎示意圖,其中α為水槽底坡,β為摻氣挑坎的挑角,L為空腔長度,d為空腔回水深度,Δ為挑坎高度,v為坎上流速,h為坎上水深,Φ1為射流水舌沖擊角。

圖1 摻氣挑坎示意圖

1.2 試驗設計

摻氣坎的選擇原則最關鍵的是在各種試驗工況下保持坎后空腔穩(wěn)定,否則特征水力參數(shù)將無法測量,達不到挑坎的摻氣效果;其次摻氣坎模型的體型要合適,符合工程運用規(guī)范,有一定的實用價值,同時在試驗前要考慮許多因素:

a.挑坎體型的確定。工程實際中采用的挑坎坡度變化范圍很小,在1∶5～1∶15之間,經(jīng)綜合考慮,試驗采用1∶5,1∶7,1∶10共3 種挑坎坡度;根據(jù)有機玻璃水槽的邊壁高度,設計了3種挑坎高度(1cm,2cm,3cm),組合后共有9種不同的挑坎模型。

b.水槽底坡的確定。根據(jù)現(xiàn)有的試驗條件,調節(jié)雙變坡有機玻璃水槽,確定了3種不同水槽底坡i=0.070(α=4°),0.087(α=5°),0.096(α=5.5°)。

c.根據(jù)挑坎和玻璃水槽坡度的關系調試出了6種比較合適的流量(524 3cm3/s,4361cm3/s,3440cm3/s,2662cm3/s,2171cm3/s,1707cm3/s),并采用直角三角形薄壁堰、測針及進水閥門控制流量的大小。

d.通氣孔大小的確定。為達到最好的摻氣效果(充分通氣),在坎后左右兩側對稱設置通氣孔,是開口尺寸為直徑8mm的圓孔。

2 試驗成果分析

在對摻氣坎的研究中,摻氣坎后的空腔形態(tài)及水力特性,特別是空腔長度,是檢驗摻氣效果最重要的指標,在工程上,影響著摻氣量及摻氣設施的有效保護范圍。

2.1 不同挑坎坡度下空腔長度隨流量的變化規(guī)律

圖2為相同水槽底坡與挑坎高度、不同挑坎坡度下,空腔長度隨流量變化的關系圖,可見,隨著流量的增加,空腔長度也增加。當流量、水槽底坡、挑坎高度相同的情況下,挑坎坡度越大,空腔長度也越大。例如:在 Q=4361cm3/s,i=0.070,Δ=1cm時,挑坎坡度為1∶5,1∶7,1∶10對應的空腔長度分別為10.50cm,9.20cm,8.30cm。由圖 2可見,若流量、水槽底坡、挑坎坡度相同,則挑坎高度越高,空腔長度越長。從空腔長度變化快慢可以看出,挑坎高度對空腔長度的影響比挑坎坡度要大得多,并且挑坎高度從1cm變化到2cm,對空腔長度的影響比從2cm變化到3cm大,說明通過改變挑坎高度來改善空腔的形態(tài)并不是越高越好,而是有一定的范圍限制。因為挑坎高度的增加與回水深度的減小并不成正比。

在低弗勞德數(shù)情況下,相同流量、相同水槽底坡下,空腔長度隨坎上水深增加而增加,而隨著流速和弗勞德數(shù)的增加而減小。說明在低弗勞德數(shù)下,空腔長度增加的趨勢與坎上水深的增加趨勢一致,水流重力的影響對空腔長度的變化起了決定性的作用。

2.2 空腔回水深度隨流量的變化規(guī)律

研究發(fā)現(xiàn),在小底坡的情況下設置摻氣坎,摻氣空腔內回水程度較為嚴重[7]。試驗確定的3種水槽底坡0.070,0.087,0.096都小于0.1,一般認為底坡在0.1以內為小底坡。對于一坡到底的過流邊界,坡度越小,越容易產(chǎn)生空腔回水,研究空腔回水深度具有十分重要的現(xiàn)實意義[7]。影響空腔回水的因素具體包括:摻氣坎體型、來流流量、來流弗勞德數(shù)、水槽底坡以及射流水舌沖擊角等。圖3為水槽底坡i=0.070時試驗所測得的空腔內回水深度與下泄流量的關系,其他工況的情形與之類似。

圖2 不同挑坎坡度下空腔長度與流量的關系(i=0.070)

圖3 不同挑坎坡度下空腔回水深度與流量的關系(i=0.070)

由圖3可以看出,挑坎高度不變時,總體上空腔回水深度隨流量增大而減小,但其變化趨勢是非線性的,其中流量較小時隨流量的增加,空腔回水深度還會局部增大。摻氣挑坎坡度越大,空腔回水深度越小,坎高為2 cm和3 cm時較為明顯,坎高為1 cm時,由于回水深度總體太小,測量誤差增大,試驗值規(guī)律不好。挑坎高度對空腔回水深度的影響較為顯著,相同流量時,坎高越大,空腔回水深度也越大,如為1cm時,最大回水深度僅為0.7cm,而同樣流量下坎高為3cm時,最大空腔回水深度卻達到1.85 cm,但結合最高點的凈空腔高度值可以看出隨著挑坎高度的增大,凈空腔高度是增加的,即空腔回水深度占整個空腔高度的比例是下降的。同挑坎高度(1cm,2cm,3cm)時空腔回水深度與射流水舌沖擊角的關系。從圖4上不難看出:射流水舌沖擊角越大,空腔回水深度越大,有效空腔長度越短。對于不同的挑坎坡度,相同的來流量下,挑坎坡度越大,空腔回水深度越小。相同條件下,挑坎高度越高,空腔回水深度也越大,但占整個空腔的高度的比例卻是下降的。在本試驗條件下,射流水舌沖擊角5.5°時已出現(xiàn)空腔回水,所以說,臨界射流水舌沖擊角對所有體型的摻氣坎都不是一個不變的定數(shù)。顯然,空腔回水的出現(xiàn)與射流水舌沖擊角密切相關,但歸根結底還是與來流條件、水槽底坡、摻氣坎體型的確定有關。

3 結 論

2.3 射流水舌沖擊角與空腔回水深度的關系

圖4 不同挑坎坡度下空腔回水深度與射流水舌沖擊角的關系(i=0.070)

摻氣挑坎后水舌落點下緣與水槽底板間的夾角稱為射流水舌沖擊角。水舌沖擊角決定了摻氣坎后挑流水舌作用于水槽底板的方向,因而控制著挑流水舌沖擊水槽底板對水流動量的方向。由于射流水舌沖擊角通過影響水流動量來影響空腔回水,因此射流水舌沖擊角是影響空腔回水程度的一個重要因素。一般認為射流水舌沖擊角越大,越容易產(chǎn)生嚴重的空腔回水,射流水舌沖擊角減小,則空腔回水減弱。圖4是在相同水槽底坡(i=0.070)下,選取不

a.在其他條件不變的情況下,來流量與空腔長度成正比,挑坎高度對空腔長度的影響比挑坎坡度要大得多。

b.流量越大,空腔回水深度越小。挑坎坡度越大,空腔回水深度也相應減小,但空腔回水深度卻是隨著挑坎高度的增加而增加,說明挑坎高度的增加與回水深度的減小并不成正比。

c.在試驗條件下,射流沖擊角為5.5°時已出現(xiàn)空腔回水。空腔回水的出現(xiàn)與射流水舌沖擊角密切相關,但歸根結底還是與來流條件、水槽底坡、摻氣坎體型的確定有關。

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