通風(fēng)面積對(duì)泄洪洞通氣量及風(fēng)場(chǎng)的影響

李美 玲， 田 忠

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065)

通風(fēng)面積對(duì)泄洪洞通氣量及風(fēng)場(chǎng)的影響

李美 玲， 田 忠*

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065)

采用三維紊流模型，計(jì)算并分析了通風(fēng)洞通風(fēng)面積對(duì)泄洪洞通氣量及風(fēng)場(chǎng)的影響，結(jié)果表明:當(dāng)泄洪洞進(jìn)口流速和閘門開(kāi)度一定時(shí)，增大通風(fēng)洞通風(fēng)面積，通風(fēng)洞平均風(fēng)速減小，但減小趨勢(shì)逐漸平緩;泄洪洞通氣量隨著通風(fēng)洞通風(fēng)面積的增大而增大，但當(dāng)通風(fēng)面積增大到一定值時(shí)，泄洪洞通氣量沒(méi)有較顯著的變化;泄洪洞出口逆向補(bǔ)氣隨著通風(fēng)面積的增大逐漸減小。

泄洪洞;通風(fēng)面積;通風(fēng)量;逆向補(bǔ)氣;影響

泄洪洞是水利水電工程常用的泄水建筑物，運(yùn)行時(shí)，若通氣量不足，洞內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)較低的負(fù)壓，從而降低了水流空化數(shù)，增加空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)［1］。因此，在較長(zhǎng)的管道內(nèi)需設(shè)置通氣設(shè)施，使閘后區(qū)域與大氣相連，以便引入足夠的空氣來(lái)保證閘后壓強(qiáng)處于安全范圍之內(nèi)［2］。其中，通風(fēng)洞為泄洪洞通氣設(shè)施中較為常見(jiàn)的一種，研究其通風(fēng)面積對(duì)泄洪洞內(nèi)通氣量的影響對(duì)工程具有現(xiàn)實(shí)意義。

卡林斯基和羅伯遜最早研究了泄洪洞通氣量，得到的經(jīng)驗(yàn)式為β=m(Fr－1)n，式中:β為氣水比;Fr為躍前斷面的弗勞德教;系數(shù)m= 0．0066;n=1．4［3］。之后，康拜爾和蓋頓等沿著這一思路對(duì)需氣量的規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)公式進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn);陳肇和通過(guò)原型觀測(cè)，提出了半經(jīng)驗(yàn)、半理論公式。至今，需氣量的模型規(guī)律尚未查明，模型試驗(yàn)還不能真實(shí)地模擬需氣量的原型規(guī)律，而原型觀測(cè)又受到眾多客觀條件的限制。筆者采用三維數(shù)值模擬的方法，研究了通風(fēng)洞面積對(duì)泄洪洞通氣量及風(fēng)場(chǎng)的影響，旨在為通風(fēng)洞的設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

1．1 基本方程

筆者采用了標(biāo)準(zhǔn)k－ε雙方程紊流模型，其控制方程為:

k方程

ε方程

式中 t為時(shí)間;ui，xi分別為速度分量和坐標(biāo)分量;ρ和μ分別為體積分?jǐn)?shù)平均密度和分子黏性系數(shù);P為修正壓力;μt為紊流黏性系數(shù)，可由紊動(dòng)能k和紊動(dòng)耗散率ε求出;σk和σε分別為k和ε的紊流普朗特?cái)?shù)，σk=1，σε=1．3;C1ε和C2ε為ε方程常數(shù)，分別為1．44和1．92;G為由平均速度梯度引起的紊動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，由下式定義:

1．2 計(jì)算體型

泄洪洞由進(jìn)口有壓段、閘室段、閘室通風(fēng)洞和無(wú)壓洞段組成，整體布置情況見(jiàn)圖1。有壓段橫斷面為矩形，寬8m，高6．6m，長(zhǎng)20m，通風(fēng)洞橫斷面為矩形，長(zhǎng)度為50m，斷面尺寸見(jiàn)表1。筆者計(jì)算了通風(fēng)洞面積分別為18m2、36m2、72m2、108m2及144m25種情況下通風(fēng)洞風(fēng)量及泄洪洞內(nèi)風(fēng)場(chǎng)。閘室高20m，寬8m。閘后泄洪洞無(wú)壓段長(zhǎng)150m，斷面為矩形，寬8m，高12m，底坡為9%。

圖1 泄洪洞整體布置圖

表1 計(jì)算體型通風(fēng)面積表

1．3 邊界條件與計(jì)算網(wǎng)格

泄洪洞進(jìn)口條件設(shè)置為速度進(jìn)口，速度為30 m/s，閘門均為全開(kāi)情況。閘室通風(fēng)洞進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口，閘后無(wú)壓洞段出口設(shè)置為壓力出口。計(jì)算體型較為規(guī)則，均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;對(duì)水流和空氣流動(dòng)影響較大方向的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最小網(wǎng)格尺寸長(zhǎng)、寬、高均為0．3m。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2．1 通風(fēng)洞面積對(duì)通風(fēng)洞平均風(fēng)速和通風(fēng)量的影響

所計(jì)算的泄洪洞除在閘室段設(shè)置了通風(fēng)洞外，未設(shè)置任何其他通氣設(shè)施，是一個(gè)相對(duì)較為封閉的體系［5］。可以認(rèn)為:泄洪洞內(nèi)通氣量的來(lái)源為閘室處通風(fēng)洞的通風(fēng)量和泄洪洞出口可能存在的逆向補(bǔ)氣量，且前者占主要部分。在計(jì)算通風(fēng)洞通風(fēng)量時(shí)，取通風(fēng)洞中間斷面的平均風(fēng)速乘以通風(fēng)洞斷面面積，風(fēng)速、風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2為通風(fēng)洞面積與其平均風(fēng)速的關(guān)系曲線。從圖2中可以看出，當(dāng)通風(fēng)面積較小時(shí)，增大通風(fēng)洞面積后平均風(fēng)速明顯降低。隨著通風(fēng)洞面積的繼續(xù)增大，平均風(fēng)速降低幅度變小，說(shuō)明在通風(fēng)洞面積較小時(shí)，面積對(duì)風(fēng)速的影響較大。但隨著通風(fēng)面積的增大，其對(duì)通風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速的影響逐漸變小，通風(fēng)洞風(fēng)速并不是隨著通風(fēng)面積的增大而無(wú)限減小。由此可知，對(duì)于在確保泄洪洞摻氣充分的前提下要降低通風(fēng)洞風(fēng)速，采取增大通風(fēng)面積的工程措施并不一定總是有效的。

表2 各計(jì)算體型風(fēng)速風(fēng)量表

圖2 通風(fēng)洞風(fēng)速隨通風(fēng)面積變化曲線圖

圖3為通風(fēng)洞面積與其通風(fēng)量的關(guān)系曲線。從圖3中可以看出:增大通風(fēng)面積，通風(fēng)量隨之增加，但隨著通風(fēng)面積的繼續(xù)增大，通風(fēng)量的增加幅度明顯減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。這是因?yàn)橥L(fēng)面積較小時(shí)，要達(dá)到一定的通氣量，通風(fēng)洞內(nèi)平均風(fēng)速相對(duì)較高，而隨著通風(fēng)面積的增大，泄洪洞內(nèi)的通氣量逐漸達(dá)到最大值。一定的流量流速條件下泄洪洞的最大所需通氣量是一定的，由此可知:通風(fēng)洞的通風(fēng)量并不會(huì)隨著通風(fēng)面積的增大而無(wú)限增大。

圖3 通風(fēng)洞的通風(fēng)量隨通風(fēng)面積變化曲線圖

從圖2、3中還可以看出:通風(fēng)洞面積為72m2時(shí)，曲線趨于平緩。設(shè)通風(fēng)洞平均風(fēng)速為V1，面積為a，泄洪洞水流平均流速為V2，洞頂余幅面積為A，定義通風(fēng)系數(shù)A以閘室出口處進(jìn)行計(jì)算，則a=72m2時(shí)有δ=0．448。可以認(rèn)為:當(dāng)通風(fēng)系數(shù)為0．448時(shí)，繼續(xù)增大通風(fēng)洞面積對(duì)降低通風(fēng)洞風(fēng)速、增加泄洪洞通氣量已沒(méi)有較顯著的影響。

2．2 通風(fēng)洞面積對(duì)泄洪洞橫斷面風(fēng)場(chǎng)的影響

筆者所計(jì)算的體型在整個(gè)閘室后無(wú)壓段長(zhǎng)度為150m。以計(jì)算體型1為例分析無(wú)壓段在靠近閘室、中間和泄洪洞出口三個(gè)橫斷面的風(fēng)速場(chǎng)情況見(jiàn)圖4、5、6。從圖中可以看出:水流流速沿程增大，在靠近閘室處由于受到閘室一側(cè)不對(duì)稱布置的通風(fēng)洞的影響，風(fēng)速在整個(gè)橫斷面上呈現(xiàn)不均勻分布;而隨著水流的流動(dòng)，洞頂空氣分布逐漸趨于均勻，最終沿橫斷面中軸呈對(duì)稱分布，洞頂沒(méi)有明顯的水氣交界面，隨著水流的流動(dòng)，泄洪洞出口處水氣交界面變得較為清晰。泄洪洞洞頂空氣流速存在負(fù)值，說(shuō)明在出口處存在逆向補(bǔ)氣現(xiàn)象。

圖4 無(wú)壓段閘室處斷面速度分布圖

圖5 無(wú)壓段中間斷面速度分布圖

圖6 無(wú)壓段出口斷面速度分布圖

圖7 通風(fēng)面積為18m2時(shí)無(wú)壓段速度分布圖

所分析的不同計(jì)算體型閘后無(wú)壓段速度場(chǎng)見(jiàn)圖7、8、9、10、11。在閘室兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置通風(fēng)洞以及通風(fēng)洞面積較小時(shí)，無(wú)壓段洞頂風(fēng)速分布較快調(diào)整為對(duì)稱分布，其原因是通風(fēng)洞為對(duì)稱布置，空氣原本就為對(duì)稱進(jìn)入，通風(fēng)面積較小則通風(fēng)量較小，并容易隨著水流的帶動(dòng)而調(diào)整分布，最終沿橫斷面中軸線呈對(duì)稱分布形式。從圖7中可以看出:當(dāng)通風(fēng)洞面積為18m2時(shí)，洞頂空氣流速負(fù)值為－10m/s;通風(fēng)洞面積增大到36m2時(shí)，洞頂空氣流速負(fù)值變?yōu)椋?m/s;通風(fēng)洞面積為72m2、108m2時(shí)，空氣流速負(fù)值最大值均為－4m/s，最后不存在負(fù)值流速，說(shuō)明通風(fēng)洞面積增大，泄洪洞出口逆向補(bǔ)氣量逐漸減少。

圖8 通風(fēng)面積為36m2時(shí)無(wú)壓段速度分布圖

圖9 通風(fēng)面積為72m2時(shí)無(wú)壓段速度分布圖

圖10 通風(fēng)面積為108m2時(shí)無(wú)壓段速度分布圖

圖11 通風(fēng)面積為144m2時(shí)無(wú)壓段速度分布圖

2．3 通風(fēng)洞面積對(duì)泄洪洞縱斷面風(fēng)場(chǎng)的影響

由橫斷面流速分布圖7、8、9、10得知:各計(jì)算體型泄洪洞出口均存在逆向補(bǔ)氣現(xiàn)象，這是因?yàn)樗髁鲃?dòng)摻氣，而閘室處通風(fēng)洞進(jìn)氣量較小，水流需從出口卷進(jìn)一部分空氣以滿足自身需氣量，此時(shí)泄洪洞出口充當(dāng)了一個(gè)補(bǔ)氣洞的作用。由泄洪洞縱斷面速度場(chǎng)可以看出出口逆向補(bǔ)氣的范圍。以計(jì)算體型3(即總通風(fēng)面積為72m2)為例，從圖12中可以看出補(bǔ)氣長(zhǎng)度為83m。

圖12 縱斷面速度場(chǎng)圖

筆者采用同樣的方法觀察了五種計(jì)算體型泄洪洞縱斷面速度場(chǎng)，從中可以得到從泄洪洞出口開(kāi)始往上游的補(bǔ)氣長(zhǎng)度。由圖13可知:逆向補(bǔ)氣長(zhǎng)度隨通風(fēng)面積的增大而減少。同時(shí)可以看出，隨著通風(fēng)面積的增加，逆向補(bǔ)氣在泄洪洞整個(gè)橫斷面所占空間逐漸減小，即逆向補(bǔ)氣量逐漸減少，由此可以得知:當(dāng)通風(fēng)面積足夠大、通風(fēng)洞通風(fēng)量足以滿足整個(gè)泄洪洞的通氣量時(shí)，泄洪洞出口將不存在逆向補(bǔ)氣，整個(gè)泄洪洞通氣量全部由閘室處通風(fēng)洞通風(fēng)量提供。

圖13 逆向補(bǔ)氣長(zhǎng)度與通風(fēng)面積關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)在泄洪洞有壓段進(jìn)口流速和閘門開(kāi)度不變的情況下，增加通風(fēng)洞的通風(fēng)面積，通風(fēng)洞內(nèi)的平均風(fēng)速有所降低，變化斜率趨于平緩，通風(fēng)洞面積對(duì)通風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速的影響逐漸變小。由此可知:通風(fēng)洞風(fēng)速并不是隨著通風(fēng)面積的增大而無(wú)限減小，泄洪洞內(nèi)的通氣量隨著通風(fēng)面積的增大而增大，但其增大幅度是隨通風(fēng)面積的增大而減小的。

(2)在本文的計(jì)算條件下，當(dāng)通風(fēng)系數(shù)達(dá)到0．448時(shí)，繼續(xù)增大通風(fēng)洞面積對(duì)泄洪洞通氣量已沒(méi)有較明顯的影響。

(3)當(dāng)通風(fēng)洞通風(fēng)面積較小、通風(fēng)量滿足不了泄洪洞水流所需通氣量時(shí)，在泄洪洞出口會(huì)存在逆向補(bǔ)氣現(xiàn)象。隨著通風(fēng)面積的增大，通風(fēng)洞通風(fēng)量增大，逆向補(bǔ)氣長(zhǎng)度由閘室處減小到無(wú)壓段中部，逆向補(bǔ)氣量隨之減小;當(dāng)通風(fēng)洞通風(fēng)量足以滿足泄洪洞所需通氣量時(shí)，逆向補(bǔ)氣現(xiàn)象將很微弱甚至不存在。

［1］ 李建中，寧利中．高速水力學(xué)［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1994．

［2］ 陳肇和，黃文杰，葉壽忠．泄洪管道需氣量原型規(guī)律的研究［J］．水利水運(yùn)科學(xué)研究，1986，8(1):1～18．

［3］ 陳肇和，黃文杰，葉壽忠．泄洪管道需氣量研究述評(píng)［J］．水利水運(yùn)科學(xué)研究，1987，9(1):83～96．

［4］ 羅惠遠(yuǎn)．泄水管道進(jìn)氣問(wèn)題的研究［J］．水利學(xué)報(bào)，1984，28 (8):64～70．

［5］ 岳書波，刁明軍，趙 靜．高速明流泄洪洞的通氣量分析與研究［J］．四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版)，2013，45(4):7～12．

(責(zé)任編輯:李燕輝)

“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”課題通過(guò)驗(yàn)收

2014年3月，四川省扶貧和移民工作局委托成都院開(kāi)展“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”工作。立項(xiàng)后，成立了以成都院和四川省扶貧和移民工作局為主，省國(guó)土資源廳、人社廳(社保局)等單位參與的課題組。4月～5月，課題組先后到四川省自貢、巴中等典型市(州)以及貴州、湖北和浙江等地進(jìn)行外業(yè)調(diào)研和資料收集工作;6月～10月，課題組編制完成研究報(bào)告初稿及相關(guān)政策文件，并多次組織征求各方意見(jiàn)，反復(fù)討論、修改和完善;11月8日，四川省扶貧和移民工作局邀請(qǐng)了水電總院、水利總院以及水電移民行業(yè)內(nèi)的知名專家，對(duì)課題研究成果進(jìn)行了咨詢。本課題在系統(tǒng)梳理目前水利水電征地移民工作面臨問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了水利水電征地移民政策面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)，具體闡述了水利水電征地移民改革思路研究，并就土地“兩費(fèi)”政策、地面附著物補(bǔ)償政策、移民養(yǎng)老保障與社會(huì)養(yǎng)老保險(xiǎn)并軌政策等九個(gè)專題進(jìn)行了深入的研究和分析，提出了政策調(diào)整措施和改革建議。2014年12月12日，四川省扶貧和移民工作局在成都召開(kāi)了“水利水電工程征地移民政策改革思路研究”課題成果的驗(yàn)收會(huì)。四川省扶貧和移民工作局副局長(zhǎng)劉兵、何智彬、鄒積玉、向偉益、張學(xué)勤以及規(guī)劃處、法規(guī)處、后扶處等部門領(lǐng)導(dǎo)，成都院院長(zhǎng)助理李亞農(nóng)、副總工郭萬(wàn)偵、征地移民處處長(zhǎng)劉煥永及課題組其他成員參加了本次驗(yàn)收會(huì)。成都院征地移民處副專總徐靜對(duì)研究成果進(jìn)行了詳細(xì)匯報(bào)，并進(jìn)行了認(rèn)真討論。參會(huì)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)課題成果給予了高度評(píng)價(jià)，會(huì)議認(rèn)為研究成果緊密結(jié)合國(guó)家全面推進(jìn)深化改革的新形勢(shì)，指明了我國(guó)水利水電工程征地補(bǔ)償政策改革方向和發(fā)展趨勢(shì)，具有極強(qiáng)的前瞻性和實(shí)踐性，對(duì)未來(lái)水利水電工程征地移民工作具有重要的指導(dǎo)意義，一致同意通過(guò)驗(yàn)收!

TV13;TV651

B

1001-2184(2014)01-0074-04

李美玲(1990-)，女，河南安陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向:水工水力學(xué);

田 忠(1977-)，男，四川成都人，副研究員，博士后，研究方向:水工水力學(xué)．

2014-09-11