淺析高水頭泄洪底孔水力學(xué)研究方法適宜性

【摘要】在水力學(xué)發(fā)展的過程中，各種研究方法的不斷出現(xiàn)，為相關(guān)問題的有效解決提供了可靠地保障。由于不同方法的側(cè)重點(diǎn)有所差異，最終得出的數(shù)據(jù)信息也存在著一定的區(qū)別。在對高水頭泄洪底孔功能特性的分析中，需要構(gòu)建科學(xué)的參考模型，在三維空間內(nèi)運(yùn)用信息化技術(shù)手段對水力學(xué)問題進(jìn)行模擬，確定不同研究方法的適宜范圍。參考模型中原型水面波動(dòng)將會(huì)加快水舌擴(kuò)散的速度，可以為水力學(xué)問題最佳研究方法的確定提供可靠的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】水力學(xué)；研究方法；高水頭泄洪底孔；適宜范圍；參考模型

在橡膠壩工程施工和使用的過程中，存在著一系列的有關(guān)水建筑物水力學(xué)問題。在對這些問題研究的過程中，可以通過選擇可靠的物理參考模型試驗(yàn)進(jìn)行必要地模擬，從而判斷出泄水建筑物摻氣減蝕、流激振動(dòng)、泄洪霧化等問題可能造成的影響，為不同生產(chǎn)設(shè)備的正常工作提供了可靠地保障。

一、主要的研究對象和方法

在對某橡膠壩泄洪功能的分析過程中，可以發(fā)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)揮著重要的保障作用。該橡膠壩的泄洪底孔主要有壓洞段、泄槽明流段、庫區(qū)等結(jié)構(gòu)組成。為了增強(qiáng)橡膠壩的泄洪效果，泄槽明流段主要采用了3道摻氣坎，并將相關(guān)的進(jìn)口底板高程設(shè)置在了合理的范圍內(nèi)。這種底板的高程較大，對應(yīng)的工作弧門尺寸的高度為8m，寬度設(shè)置為5m。通過運(yùn)用相關(guān)技術(shù)手段的分析，可知該橡膠壩的泄洪水頭效果良好，水庫的水位保持在了一定的范圍內(nèi)。

試驗(yàn)過程中主要采用的研究方法是構(gòu)建物理模型，進(jìn)而對整個(gè)工程的工況進(jìn)行有效地觀測和模擬，確定出最佳的水力學(xué)參數(shù)。由于水力學(xué)的問題對于工程的影響非常大，可以采用常規(guī)量測技術(shù)獲取對應(yīng)的參數(shù)，合理使用人工水尺確定觀測過程中最佳的水面線。為了保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，試驗(yàn)過程中可以采用脈動(dòng)壓力傳感器，并用功能特性顯著的底流速儀測出橡膠壩正常工作時(shí)測量區(qū)域水的流速。

二、試驗(yàn)過程中觀測及模擬結(jié)果的對比分析

（一）試驗(yàn)過程中的流態(tài)

在對橡膠壩進(jìn)口水面的研究過程中，可以采用物理模型試驗(yàn)的方法對相關(guān)的水力學(xué)問題進(jìn)行有效地分析。試驗(yàn)開展中也需要用到數(shù)值模擬的方法，主要是為了更好地觀察進(jìn)口水面的動(dòng)態(tài)變化性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)模型設(shè)置的區(qū)域整個(gè)的水體顏色發(fā)生了明顯的變化，主要呈乳白色形狀，且主要集中在對應(yīng)明流段水面上。這種變化產(chǎn)生的原因主要是試驗(yàn)區(qū)水面出現(xiàn)了自摻氣現(xiàn)象。通過與原型明流段水面的對比，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域水面波動(dòng)和跳動(dòng)的程度非常劇烈。同時(shí)，摻氣坎作用下的水面有了明顯的抬升現(xiàn)象，水體的流態(tài)發(fā)生了顯著的變化。試驗(yàn)中的原型和模型如圖1（a）和（b）所示。

通過建立可靠的物理參考模型，可以對橡膠壩試驗(yàn)中的進(jìn)口流態(tài)進(jìn)行觀測。在對原型和模型的對比分析中，可以發(fā)現(xiàn)摻氣坎作用下的水面整體的流態(tài)變得更加清晰，客觀地說明了試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭行共鬯娲嬖谥該綒鉅顟B(tài)、水面跳躍等常見的流態(tài)現(xiàn)象。這種觀測方法只是針對水力學(xué)宏觀的流態(tài)變化，對于水力學(xué)微觀領(lǐng)域相關(guān)問題的研究，采用物理模型試驗(yàn)的作用效果一般。

（二）試驗(yàn)中的流速

試驗(yàn)中構(gòu)建可靠的物理模型后，在數(shù)值模擬方法的作用下，可以對壓洞室的水流進(jìn)行必要地研究。由于試驗(yàn)中存在著摻氣坎，水流過這里時(shí)將會(huì)出現(xiàn)上揚(yáng)的現(xiàn)象，水流表層的流速非常大，經(jīng)過泄槽底的流速明顯較小，水流的整體態(tài)勢較為緩慢。試驗(yàn)進(jìn)行中發(fā)現(xiàn)水面紊動(dòng)程度劇烈，對于試驗(yàn)區(qū)的流速影響很大。隨著原型流態(tài)跳躍程度的加深，流速的變化范圍逐漸擴(kuò)大，出現(xiàn)了水體濺出邊墻的現(xiàn)象。

（三）試驗(yàn)中的水面線

試驗(yàn)中高水頭泄洪底孔水面線對于水力學(xué)問題的研究有著重要的參考價(jià)值。為了簡化試驗(yàn)中的工作流程，可以將不同樁號水面波動(dòng)的最大高程作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c原型的主要研究內(nèi)容，通過數(shù)值模擬法計(jì)算出對應(yīng)的水面高程。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)水面波動(dòng)幅度較大時(shí)，水面線會(huì)發(fā)生一定的變化。某些試驗(yàn)區(qū)的水流會(huì)濺出邊墻，影響觀測效果。因此，選擇最佳的試驗(yàn)區(qū)非常重要。在數(shù)值計(jì)算法分析的過程中，可知當(dāng)試驗(yàn)區(qū)的水面線呈現(xiàn)連續(xù)的狀態(tài)時(shí)，水面的高程將會(huì)降低。某些數(shù)據(jù)與理論值有所偏差，主要在于模型構(gòu)建中未考慮摻氣現(xiàn)象的影響。

（四）試驗(yàn)中的壓力特性和摻氣空腔

運(yùn)用物理模型和數(shù)值模擬分析法的作用，可以對高水頭泄洪底孔水力學(xué)問題進(jìn)行深入地分析。其中，水流的壓力特性對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響非常大。通過數(shù)字模擬分析法的作用，可知試驗(yàn)中帶摻氣坎小的區(qū)域壓力較小，水面波動(dòng)變化幅度小。同時(shí)，數(shù)值模擬對于流線變化范圍較大時(shí)測出的壓力數(shù)值大小都比原型中的數(shù)據(jù)偏小，客觀地說明了摻氣坎的存在對于試驗(yàn)結(jié)果的影響。在對摻氣空腔研究的過程中，原型觀測、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的吻合性良好，摻氣空腔的尺寸規(guī)格大小對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響非常明顯。當(dāng)這種裝置的尺寸較大時(shí)，對應(yīng)的邊界變化非常明顯。這種狀態(tài)下數(shù)值模擬取得的成果與原型壓力特性高度相似。

結(jié)束語：

在對橡膠壩高水頭泄洪底孔水力學(xué)研究的過程中，不同的研究方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差異性較大，客觀地說明了最佳適宜性研究方法的重要性。在對高水頭泄洪底孔水力學(xué)問題分析時(shí)，通過水力學(xué)原型的觀測作用，可以對試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)信息做出全面地評估，進(jìn)而增強(qiáng)泄水建筑物的實(shí)際作用效果。文中通過對相關(guān)試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，反映了水力學(xué)問題對于高龍頭泄洪底孔造成的影響。

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