二級齒墩過流能力及消能特性分析

張 楊

(凌源市水利建筑勘測設計院，遼寧 凌源 122500)

能源短缺問題是人類面臨的巨大挑戰之一，水電作為一種清潔型能源，不僅可以緩解能源壓力，并且可以推動經濟可持續發展[1]。高壩水電站中高壩泄洪、高水頭容易導致河床沖刷、壩基破壞，嚴重威脅壩身安全。內消能工[2]通過人為對水體制造紊動，能夠達到良好的消能效果。消能是高壩建設中無法避免的水力學問題，設計科學合理的消能方式對于壩基、壩身安全具有十分重要的意義。因此，建立一種科學合理的內消能工方式對于高壩安全泄流具有十分重要的意義。與傳統的外部消能相比，內消能工由于具有銜接平穩、消能效果更佳和適應范圍廣等優點被應用于高壩泄流等工程，有關學者就相關內容進行了大量研究。曹民雄等人[3]研究了同軸反向渦流式、豎井渦流式與單向渦流式的內消能工的水力特性，闡述了水流脈動能量的產生、輸送與損耗等問題。丁天明[4]等人根據試驗模擬了洞塞消能工的消能特性，得到了能量損失與損失系數的主要影響因素。陳劍等[5]通過全面分析泄洪洞中洞塞的空化特性、水流壓強、布置形式、尺寸及相互間的比例等，表明洞塞內消能工是一種可行性強、消能率高與體型簡單的消能方式。本文介紹了流量系數與消能率計算公式的推算過程，并根據二級齒墩試驗裝置進行過流能力與消能特性分析，分別以流量系數和消能率作為指標，研究了不同齒墩間距和不同齒墩旋轉角對過流能力以及消能特性的影響，為類似工程建設提供了參考依據。

1 過流能力與消能特性相關理論

1.1 流量系數

流量系數μc可以反映有壓管道中過流能力的大小[6]。依據能量方程進行推算，首先確定起始斷面與結束斷面，然后以管道中心線為基準面，則X號斷面與2號斷面能量方程為：

(1)

一定流量范圍內，可近似認為結束斷面為漸變流斷面[7]。取Z2=ZX=0，υ2=υX，α2=αX，hw2-X表示斷面2號至X號的水頭損失，則式(1)推算為：

(2)

hw2-X包括沿程水頭損失與局部水頭損失，即：

(3)

由式(2)與式(3)得到流量系數計算公式：

(4)

式中，Q—管道流量,m3/s；g—重力加速度,m/s2；A—管道中水流的橫斷面積,m2。

1.2 消能率

消能率作為消能評判的一個最重要指標，其大小根據水流流經消能設施前后的能量變化情況來確定[8- 9]。取2號斷面至X斷面作為計算段面，根據式(2)得到消能率公式：

表1 不同方案的流量系數

(5)

式中，η—消能率；H—2號斷面的總水頭,m；hw2-X—斷面2號至X號的水頭損失,m。

2 二級齒墩過流能力及消能特性分析

試驗裝置如圖1，裝置由恒定水位的水箱、閥門、法蘭、有機玻璃管和流量計等組成[10]。有機玻璃管長350.0cm，直徑15.0cm，通過有機玻璃管能夠清晰地觀察到水體流態。

圖1 二級齒墩試驗裝置示意圖

2.1 過流能力分析

二級齒墩的過流能力根據流量系數進行分析，流量系數分別與局部水頭損失系數和沿程水頭損失系數相關。雷諾數Re作為液體流動特性的一個重要參數，體現了管道中液體的不同流態，其大小通過慣性力與黏滯力的比值進行表示，即lRe=vD/υ(υ為運動粘滯系數，vl為斷面平均流速)。試驗測試中管道流量為9.0l/s～42.0l/s，雷諾數最小值為0.6×105，過程中水流均處于紊流狀態，水流的沿程阻力系數伴隨雷諾數的改變而變化。本文試驗測試了不同齒墩間距、不同齒墩旋轉角對過流能力的影響，其大小通過流量系數體現，不同方案的流量系數見表1。

由表1可知，二級齒墩內消能工流量系數變化范圍為0.37～0.47，當齒墩間距較小時，流量系數隨著旋轉角度的增大而大幅度降低；當齒墩間距變大時，流量系數隨著旋轉角度的增大而無明顯改變，并且流量系數下降幅度呈不斷減小的趨勢。當齒墩間距不變時，流量系數隨著Re的增加呈先增大后平緩的趨勢，Re大于1.8×105時，流量系數基本不受Re的影響，這是由于Re較小時，水流處于紊流過渡區，Re對水頭損失具有一定的影響，而隨著Re的不斷增大，流量系數主要由齒墩布置和幾何尺寸等因素決定。為了進一步分析二級齒墩間距對過流能力的影響，以齒墩間距為橫坐標，各方案流量系數平均值為縱坐標作圖，得到圖2。

由圖2可知，流量系數隨著齒墩間距的增加呈現整體下降的趨勢，當齒墩間距大于80cm時，流量系數趨于不變。通過對比不同旋轉角度下的流量系數發現，流量系數隨著旋轉角的增加呈現整體降低的趨勢，與無旋轉相比，旋轉15°平均降低0.53%，旋轉30°平均降低1.47%。

表2 不同方案的消能率

圖2 流量系數隨著齒墩間距的變化規律

2.2 消能特性分析

本文試驗還測試了不同齒墩間距、不同齒墩相對旋轉角對消能特性的影響，其消能率見表2。

由表2可知，消能率隨Re呈指數型增長趨勢。Re小于1.8×105時，消能率幾乎不受旋轉角影響；而Re大于1.8×105，齒墩間距小于100cm時，二級齒墩消能出現相互影響，并且總體上消能率隨著旋轉角的增加而增大，旋轉角對消能率的影響隨著齒墩間距的增加逐漸減弱，齒墩間距高于100cm時，旋轉角對消能率的影響忽略不計。試驗范圍內，齒墩間距40cm，旋轉角30°時，消能效果最好。

為了進一步分析二級齒墩間距對消能率的影響，以齒墩間距為橫坐標，最大消能率為縱坐標作圖，得到圖3。

圖3 最大消能率隨著齒墩間距的變化規律

由圖3可知，齒墩間距低于100cm時，齒墩之間存在相互影響，二級齒墩內消能工的消能率隨著旋轉角的增加呈增大趨勢；齒墩間距高于100cm時，消能率幾乎不受旋轉角的影響，均值為68.9%。另外，齒墩間距40cm，旋轉角30°時，消能率達到最大82.5%，無旋轉時，消能率最低58.4%。

2.3 二級齒墩內消能工與一級齒墩內消能工的對比

為了對比相同尺寸與形狀的二級齒墩內消能工與一級齒墩內消能工，選擇兩種內消能工的過流能力與最大消能率進行對比，結果見表3、表4。

表3 二級齒墩相比于單級齒墩過流能力降低百分比 單位：%

表4 二級齒墩相比于單級齒墩消能率提高百分比 單位：%

由表3、表4可知，與單級齒墩相比，二級齒墩的過流能力呈現一定幅度的降低，降低百分比基本保持在27%～29%范圍之內，但是其消能率具有明顯幅度的提高，齒墩間距40cm，旋轉30°時，消能率達到最大92.0%，由此表明二級齒墩具備良好的可行性。

3 結論

(1)二級齒墩內消能工流量系數變化范圍為0.37～0.47，當齒墩間距較小時，流量系數隨著旋轉角度的增大而大幅度降低；當齒墩間距變大時，流量系數隨著旋轉角度的增大而無明顯改變。

(2)消能率隨Re呈指數型增長趨勢，旋轉角對消能率的影響隨著齒墩間距的增加逐漸減弱，齒墩間距40cm，旋轉角30°時，消能效果達到最好。

(3)與單級齒墩相比，二級齒墩的過流能力呈現一定幅度的降低，但是其消能率具有明顯幅度的提高。齒墩間距40cm，旋轉30°時，消能率達到最大92.0%，因此二級齒墩具備良好的可行性。

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