泄槽底部摻氣坎后水流摻氣濃度分布模型試驗

馬關博,徐一民,喬 梁,榮 巖

(昆明理工大學電力工程學院,云南昆明 650500)

泄槽底部摻氣坎后水流摻氣濃度分布模型試驗

馬關博,徐一民,喬 梁,榮 巖

(昆明理工大學電力工程學院,云南昆明 650500)

針對泄槽底部摻氣坎后的摻氣濃度分布規律較為復雜、研究成果較少的問題,為了更清楚地探究泄槽底部摻氣坎后上游直段、反弧段及下游直段水流摻氣濃度分布規律,采用含有反弧段的泄槽進行模型試驗研究。試驗結果表明:上游直段、反弧段及下游直段水流中不同水深處摻氣濃度的沿程變化規律是不相同的;其他條件不變時,水流摻氣濃度隨摻氣坎高度的增加而增大,隨反弧段反弧半徑的減小而減小;摻氣坎高度和反弧半徑對摻氣設施的有效保護范圍有一定的影響,適當提高摻氣坎的高度和反弧段的半徑對增大摻氣設施的有效保護長度有利。

泄槽;摻氣坎;反弧段;高速水流;空蝕;摻氣濃度;高壩

在高壩泄水建筑物中,高水頭帶來的高速下泄水流是高壩泄水建筑物的關鍵水力學問題之一,而高速水流在經過過流邊壁的局部低壓區或者負壓區時,容易發生對過流邊壁的空蝕破壞,不但影響泄流能力,甚至引起振動,導致泄水建筑物被不斷侵蝕破壞,且振動破壞的維修費用可能很高。高速水流自摻的空氣往往難以擴散到底部或者邊壁,工程上常常采用摻氣設施進行強迫摻氣或者采用抗蝕能力較強的材料,并同時嚴格控制過流壁面平整度,李建中等[1]研究表明:高強度抗沖刷耐磨混凝土材料的選擇、配比、施工工藝以及過流面平整度的較好控制是減小空蝕破壞的方法之一。對于摻氣設施而言,摻氣減蝕具有工藝簡單、工程量小、減蝕效果明顯的特點,具有很高的實用性和經濟價值,因此摻氣減蝕的研究一直是高速水力學研究的關鍵課題。

對于摻氣減蝕的機理而言,蔣買勇[2]研究表明:當泄水建筑物近壁處摻氣濃度(體積分數,下同)達1.5%～2.5%時,高速水流過流面的空蝕破壞程度顯著減輕;當近壁處摻氣濃度達7%～8%時,混凝土試件基本無空蝕現象。楊永森等[3]認為摻氣槽過流的摻氣存在兩種機理,即水舌氣水界面紊動交換作用摻氣和沖擊射流的局部摻氣兩種。不管摻氣機理如何,要有效地減免空蝕破壞必須使水流達到一定的摻氣濃度,泄水建筑物近壁處的摻氣濃度值也成為摻氣減蝕的可靠指標,如何讓過流邊壁保持一定的摻氣濃度是摻氣減蝕研究的關鍵。

雖然摻氣濃度成為摻氣減蝕的重要指標已經獲得相關研究群體的普遍認可,但相關學者又提出了水流局部摻氣濃度才是制約空蝕破壞的關鍵,例如張法星等[4]研究認為以總平均摻氣濃度作為減蝕效果指標的做法不完全合理,過流面附近的局部摻氣濃度、氣泡的概率分布是更重要的指標。因此,如果能更清晰地得到整個斷面摻氣濃度的分布規律,也就可以更清晰地分析過流面附近的局部摻氣濃度,進而可以更準確地確定摻氣保護長度。

在實際水電工程中,溢洪道或泄洪洞底板往往含有反弧段,反弧段的摻氣減蝕特性比直段要復雜且研究相對較少。劉超等[5]認為提升反弧段上游摻氣坎的摻氣能力,一定程度上可以改善反弧段下游邊墻的摻氣效果,但是摻氣設施與摻氣濃度之間的定量關系難以確定。龐昌俊等[6]對明流泄洪洞的摻氣設施布置為:在反弧段上游設置一道摻氣坎,防止反弧段的空蝕破壞,在反弧段末端設置另一道摻氣坎以保護緊鄰反弧段的下游直段。劉超等[7]認為:龍抬頭泄洪洞的反弧段末端摻氣坎后空腔段水流動水壓強小、水流空化數低,容易出現空化現象,且容易形成較大范圍的摻氣盲區,因此反弧段末端的側壁容易發生空蝕破壞。楊永森等[8-9]認為反弧段的水流受到離心力的作用,影響了動水壓強分布,由于壓力梯度的變化使反弧段前半段邊界層變厚,反弧段后半段邊界層變薄并且在末端達到最薄,水流近壁切應力最大,在反弧段末端容易形成空蝕破壞。

鑒于含有反弧段的泄槽中摻氣減蝕特性復雜,且相關研究較少,本文通過含有反弧段的泄槽模型試驗進行相關研究。在試驗設計上,采用了5級水深的全斷面摻氣濃度采集方法,可更清楚地分析摻氣濃度的局部分布規律,并以摻氣坎體型、反弧段邊界條件的變化分析摻氣濃度的影響規律,使摻氣減蝕能夠更好地應用于具有反弧段復雜邊界條件的泄水建筑。

1 試驗方案

1.1 試驗模型及測點布置

如圖1所示,試驗泄槽由上游直段、反弧段和下游直段3部分構成,用有機玻璃制作,其斷面為矩形,寬20 cm、高15 cm。上游直段泄槽底坡固定不變,底坡角α=45°。反弧段與上、下游直段相切,分別采用反弧半徑R=0.6 m、0.9 m、1.2 m共3種尺寸的反弧段,其圓心角φ均為35°。周菊華[10]等普遍認為,尺寸合適的挑流底坎易于形成穩定空腔,而過大的底坎容易造成擾動水面,水舌回落沖擊力較大。跌坎雖然對水面擾動較小,但有時不易形成穩定空腔,因此本試驗在試驗模型設置上,為了能獲得穩定的摻氣空腔,采用了在泄槽底板設置挑流底坎的方法。楊永森等[11-12]對摻氣體型的優化研究結果表明,摻氣坎坡比應為1∶5～1∶15,坎高應為5.1～8.5 cm。根據來流及泄槽條件,試驗采用3種摻氣坎高度(Δ=1cm、2cm、3cm),其坡比i均為1∶9,即挑角θ=6.34°。摻氣坎布置在上游直段泄槽底板,其位置固定不變,末端距反弧段起點的距離L0= 80 cm。圖1中A為泄槽兩側設置的通氣孔面積,為了保證在摻氣坎后有足夠的通氣量以達到最佳摻氣效果,根據試驗測試,選定摻氣坎后邊墻通氣孔面積A=176.6 mm2。

圖1 試驗裝置以及測點坐標布置示意圖

本試驗主要測量的水力參數為摻氣濃度。測量儀器為CQ6-2005型摻氣濃度儀,該儀器只有一個獨立測量探頭,采用單片機進行數據采集,分辨率為0.1%,測量范圍為0.0%～100.0%。濃度測量方法為:直接將儀器探頭對泄槽各水深測點進行逐個實測,然后對實測值進行整理、分析。測點布置如下:以摻氣坎底部末端為原點,垂直于泄槽為y軸,沿著泄槽底邊壁為x軸,在x軸上每間隔10 cm設置沿程觀測點;對于每個斷面水深,由水流底面至水流表面依次設置5級水深測點,測點1～5水深y與實際水深h之比y/h=0.05、0.25、0.50、0.75、0.95。

1.2 來流條件

泄槽的下泄水流,在保證有足夠大的水流流速的同時,也應該保證下泄水流流態穩定、不發生濺射、易于測量。根據試驗測試,本試驗采用Q=45 L/s的下泄流量作為來流條件可以滿足上述條件。

2 試驗結果及分析

2.1 坎后摻氣濃度沿程分布規律

當流量Q=45L/s、摻氣坎高度Δ=3cm時,摻氣坎后相對水深y/h=0.05、0.50、0.95的實測摻氣濃度c沿程變化如圖2所示。

圖2 不同相對水深摻氣濃度沿程分布

a.當y/h=0.95(近表水深測點)時,摻氣濃度沿程變化規律是在較高的濃度處上下浮動,且浮動很小,后緩慢衰減,但始終不會衰減為0。其原因是:①在坎后挑流水舌段,水流近表面的摻氣濃度基本呈平緩波動且未發生明顯衰減;②在水舌落點附近由于水流紊動作用的增強,水流近表面的摻氣濃度還有一定程度的增加;③隨著流程的增大,到x＞140 cm時,水流流出反弧段,由于泄槽坡比減小,且底部補給的氣體沿程逐漸從水面溢出,所以水流近表面的摻氣濃度開始沿程衰減,且相對于上游段衰減較快;④x≥190 cm后,摻氣濃度衰減趨于平緩。由于表面自摻氣一直存在,因此該近表面測點的摻氣濃度始終不會衰減為0,大致保持在30%左右。

b.當y/h=0.50(中間水深測點)時,摻氣濃度沿程變化規律為從0開始迅速增大,達到峰值后先在x=50～80cm區間急劇下降,隨后緩慢衰減,最終逐漸衰減為0。其原因是:①在坎后挑流水舌段,水舌上下表面的摻氣還未到達水舌中部,因此摻氣濃度很小(基本為0);②隨著流程的增大,在底部強迫摻氣和表面自摻氣共同的擴散作用下,摻氣濃度在x=10～50 cm區間迅速增大,并在x=50 cm左右到達最大值;③水流離開摻氣空腔區后,進入摻氣耗散區,不再獲得摻氣補給,只有水流紊動產生的自摻氣,而氣泡的密度遠低于水流,導致氣泡的運動方向自底向上,表面自摻氣的氣泡很難進入水流的中下部,因此,摻氣濃度在x=50～80 cm區間急劇下降;④在x≥80 cm后,摻氣濃度緩慢下降,水流依然沒有空腔的摻氣補給,只有水流紊動產生的微弱自摻氣,但這些摻入的氣體很難補給到水流的中下部,因此水深中部摻氣濃度表現為緩慢衰減,最終在下游直段(x＞200 cm)衰減為0。

c.當y/h=0.05(近底水深測點)時,摻氣濃度沿程變化規律是先在較高的濃度處上下浮動,且浮動很小,在x=50～70 cm區間急劇下降,后緩慢下降,并在反弧段末端(x=140 cm)時基本衰減為0。其原因是:①在坎后挑流水舌段,水流處于摻氣空腔區域,底部強迫摻氣處于主導作用,摻氣濃度較高且穩定;②隨著流程增加,水流離開摻氣空腔區域后完全進入摻氣耗散區,將不再獲得摻氣補給,而水流表面紊動產生的自摻氣很難進入水流的底部,因此,摻氣濃度在x=50～80cm區間急劇下降;③隨著流程的增大,水流進入反弧段,離心力加劇了氣體向外的擴散作用,近底水流的摻氣濃度在反弧段內(x=130 cm)就已經衰減為0。

2.2 上游直段摻氣濃度分布規律

當Q=45L/s、i=1∶9和Δ=1cm、2cm、3cm時, x=20 cm、40 cm、60 cm、80 cm斷面的實測摻氣濃度與相對水深的關系曲線如圖3所示。

圖3 上游直段摻氣濃度與相對水深的關系

a.當x=20 cm時(圖3(a)),由于水流剛越過摻氣坎,處于挑流水舌區,水舌上緣與空氣接觸,下緣與空腔接觸,在底部強迫摻氣和表面自摻氣共同作用下,近表水深(y/h=0.95)和近底水深(y/h=0.05)附近獲得較多的摻氣,摻氣濃度較大;由于摻氣還沒有完全擴散到水舌中部(y/h=0.5),因此該處摻氣濃度較小,所以在整個斷面上,摻氣濃度分布呈現底部和表面大、中間小的規律。對不同的摻氣坎高度,基本呈現出隨坎高增大而增大的規律。隨著坎高的增大,水舌與底板形成的空腔體積也越大,形成對水舌的補氣渠道自然也就更大,那么水舌獲得的摻氣就會越多,摻氣濃度也隨之增大。

b.當x=40 cm時(圖3(b)),與x=20 cm斷面所不同的是,除了Δ=1 cm外,水舌中部的摻氣濃度增大,且沿水深方向,摻氣濃度雖然仍然呈上下表面附近大、中間小的規律,但其分布已較為均勻。由于Δ=1 cm的摻氣空腔相對較小,水流底部摻氣不充分,底部摻氣較微弱而表面自摻氣占主導作用,故摻氣濃度分布規律呈現自底而上逐漸變大的規律。

c.當x=60 cm、80 cm時(圖3(c)(d)),3種坎高的水流都完全離開摻氣空腔區間,跌落到泄槽底板上。這兩個斷面的表面自摻氣占主導作用并且相對穩定,隨著重力作用以及擴散作用,底部摻氣濃度是隨之逐漸衰減的,呈現自底而上逐漸變大的規律。此外,從圖3(c)(d)可以看出坎高是直接影響摻氣濃度的關鍵因素,摻氣濃度隨著坎高的增高而增大。

2.3 反弧段摻氣濃度分布規律

2.3.1 x=100 cm斷面處摻氣濃度分布規律

當Q=45 L/s、Δ=3 cm、i=1∶9和R=0.6 m、0.9 m、1.2 m時,x=100 cm斷面(反弧段內)實測摻氣濃度與相對水深的關系曲線見圖4。由圖4可見,水流在通過該反弧段時,反弧半徑大小對摻氣濃度的分布有顯著影響,摻氣濃度隨反弧半徑的減小而減小,摻氣濃度在反弧半徑較小的斷面衰減較為劇烈,隨著反弧半徑的增大,摻氣濃度的衰減速率逐漸降低。原因為:在來流條件一致的情況下,水流在通過不同半徑反弧段時,反弧半徑越小,受到的離心力越大,摻雜在水流中的氣泡由于相對密度較低,越大的離心力促使氣泡越易消散。另一方面,在離心力的作用下,流場流速重新分布,底面流速增大,沿程壓力梯度也增大,使得摻氣濃度降低,容易引起空蝕破壞。

圖4 x=100 cm斷面摻氣濃度與相對水深的關系

2.3.2 反弧段摻氣濃度沿水深分布規律

圖5為Q=45L/s、Δ=3cm、i=1∶9和R=0.9 m、1.2 m時,x=80 cm、110 cm、130 cm斷面處實測摻氣濃度與相對水深的關系。不同半徑的反弧段,由于摻入水流中的空氣沿程不斷地溢出,因此反弧段內摻氣濃度的變化規律都是沿程遞減的,且自水流底部至水流表面呈遞增式變化。

圖5 反弧段摻氣濃度與相對水深的關系

2.4 下游直段摻氣濃度分布規律

圖6為Q=45L/s、Δ=3cm、i=1∶9和R=0.6 m、0.9 m、1.2 m時,下游直段(x=150～230 cm)斷面平均摻氣濃度c(5個測點實測摻氣濃度的平均值)沿程分布。如圖6可見:3種半徑的下游直段水流的平均摻氣濃度都是沿程逐漸減小的,并且反弧半徑越小,下游直段水流的平均摻氣濃度也越小?？梢姺椿《畏椿“霃降拇笮〔粌H對反弧段內水流摻氣濃度有影響,而且對下游直段水流的平均摻氣濃度也有顯著影響,因此當反弧段的反弧半徑過小時將會縮短摻氣設施的有效保護長度。

圖6 下游直段平均摻氣濃度沿程分布

圖7為Q=45L/s、Δ=3cm、i=1∶9和R=0.9m時,下游直段泄槽不同水深處(y/h=0.50、0.75、0.95)實測摻氣濃度沿程變化情況(由于y/h=0.05、0.25時摻氣濃度極小,幾乎為0,在圖中未畫出)。由圖7可見,即使位于水深中部(y/h=0.50),摻氣濃度都很小,且當x＞190 cm后水深中部的摻氣濃度為0。只有y/h=0.75、0.95時,摻氣濃度才相對較大,且y/h=0.75時沿程衰減也較快;y/h=0.95近表水深時,摻氣濃度衰減較為平緩,并且處于高位變化,主要為水面自摻氣所致。圖7說明在該試驗條件下,R=0.9 m的下游直段泄槽的近底壁水流摻氣濃度已很小,對減免泄槽的空蝕破壞是不利的。

圖7 下游直段摻氣濃度沿程分布

3 結 論

a.不同水深摻氣濃度沿程變化規律不同:①近表水深摻氣濃度高位平緩,緩慢衰減,最終不會衰減為0;②中間水深摻氣濃度先增大后減小,起始濃度較大,最終會逐漸衰減為0;③近底水深摻氣濃度先增大后減小,起始濃度為0,最終會逐漸衰減為0。

b.摻氣坎后斷面摻氣濃度分布規律不同,摻氣濃度在橫斷面先呈現底部和表面大、中間小的分布規律,后呈現自底部至表面逐漸增大的規律。

c.摻氣坎高度和反弧半徑對摻氣濃度有一定的影響:①摻氣濃度隨著摻氣坎高度的增大而增大;②反弧半徑越小,摻氣濃度的衰減越劇烈;③適當提高摻氣坎的高度和反弧段的半徑對增長摻氣設施的有效保護長度是有利的。

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Experimental study on the distribution of air concentration in flow after bottom aerator//

MA Guanbo,XU Yimin, QIAO Liang,RONG Yan
(Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Setting an aerator on the chute contained ogee section is an important subject of cavitation erosion.The distribution of air concentration in flow after bottom aerator still a challenge task and relevant research results are quite limited.In order to explore the distribution of air concentration on straight section after aerator,ogee section,and straight section after ogee section on chute,we use the chute with ogee section to set up an experiment.By doing it so,different size of aerator with different radius of ogee section have been tested,measured rand analyzed.The overall experiment results show that when other conditions remain unchanged,the air concentration in the flow increases with the increase of aerator’s height and decreases with the decrease of the anti-arc radius of the chute.According to the air concentration in the flow,the length of protective segment of the chute may vary with aerator’s height and the radius of anti-arc of the chute.To some extent,increasing aerator’s height and the anti-arc radius of the flow chute can prolong the length of protective segment.

chute;aerator;ogee section;high-speed flow;cavitation erosion;air concentration;high dam

TV131.3+4

:A

:1006-7647(2014)05-0012-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.003

2013-0802 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金(51069002,51269005)

馬關博(1988—),男(回族),云南昭通人,碩士研究生,主要從事工程水力學研究。E-mail:49017900@qq.com

徐一民(1962—),男,云南昆明人,教授,博士,主要從事工程水力學研究。E-mail:yiminxu@sina.com