挑流水墊塘摻氣比尺效應試驗

辜晉德,趙建鈞,安建峰

(南京水利科學研究院水工水力學研究所,江蘇 南京 210029)

挑流消能是高拱壩工程中最常見的消能方式,由于紊流問題的復雜性,目前常規研究手段是根據弗勞德相似準則建立縮尺物理模型,并對水墊塘動水荷載進行測量,根據測試結果計算原型的動水荷載,從而指導工程實踐。在這個過程中,往往將水流摻氣問題作為次要因素忽略,然而水流流速達到一定程度之后,自身裂散導致摻氣現象十分嚴重[1-3]。早在20世紀50年代,蕭興斌[4]就指出常規泄洪樞紐水工模型比尺約為1∶80～1∶100,模型水舌流速約為3～4 m/s,未達到水流自摻氣的臨界流速,導致模型摻氣情況不符合弗勞德相似準則;董志勇等[5-6]的研究表明,水流摻氣對動水沖擊壓力及脈動壓力均有不同程度的影響。因此,研究挑流水舌作用下水墊塘摻氣量(體積分數，下同)分布規律及模型比尺效應,對于更為準確的預測原型水墊塘的動水荷載具有重要的意義。國內外專家學者通過水工模型試驗對工程上常見的挑流[7]、底流[8-9]、淹沒射流[10-11]、壩面溢流[12]、挑坎后摻氣水流[13-15]等典型流態的摻氣現象進行了研究,得出了水流摻氣的基本結構。Canepa等[16-18]通過試驗研究了水墊塘內的摻氣量分布;也有學者嘗試通過數學模型計算水流的摻氣效應[19-20]。關于模型中水流摻氣的比尺效應,謝省宗等[21]認為氣泡上浮速度不相似是陡槽水流摻氣量不相似的主要原因;孫建等[22]通過水流運動基本方程的推導及試驗驗證,探討了水墊塘底板動水壓強的縮尺效應。

挑流水墊塘內的氣體主要來源于兩部分,一為水舌在空中拋射過程中的自身裂散摻入的氣體,二為水舌入水時在水氣交界面上的強剪切作用帶入的氣體。兩種作用均與水舌的絕對流速相關,從而決定了模型水墊塘內摻氣量具有縮尺效應。本文通過某高拱壩的泄洪樞紐縮尺模型,使用采樣分析法獲取單股水舌入射區及水墊塘內的摻氣量分布規律,并對不同比尺模型的試驗數據進行比較,探討挑流水墊塘摻氣的縮尺效應。

低溫熱分解重鎂水溶液制備晶須是一個復雜的多相結晶過程。由前述結果討論可知，重鎂水濃度對三水碳酸鎂的形貌和組成具有重要的影響。由前述結果可知，晶體是在間歇結晶過程中產生的，在開始的某段時間內，溶液濃度實際上保持不變，這段時間稱為誘導期tind，其為結晶過程的主要動力學特征之一。誘導期時間很大程度上依賴于過飽和度和溫度等因素[25]。因濃度隨時間的變化在一定程度上反映了結晶動力學，因此用以判斷結晶進程的主要指標之一是溶液中物質的濃度。按照相生成的熱力學理論，誘導期時間的計算公式為[25]：

1 試驗模型及量測方法

圖2 水墊塘斷面測點布置(尺寸單位:cm，高程單位:m)

某在建高拱壩壩高289 m,壩身為雙曲拱壩,其泄洪樞紐布置有6個表孔和7個深孔,其中深孔呈V字形布置,深孔出口挑角從中間向兩側依次減小。水墊塘底板高程為560 m,二道壩軸線距離壩軸線400 m,二道壩頂高程為602 m。本次試驗研究對象為中間深孔,其挑角為20°,出口高程為724 m,出于消能方面考慮,深孔出口體型采用最典型的底部上翹、頂部下壓的體型,以促進水流橫向擴散。底部水墊塘為反拱型水墊塘。根據工程參數分別建立1∶100及1∶50水工模型,模型主要由進水水箱、泄洪孔口及下游水墊塘組成,模型水墊塘采用透明有機玻璃制作,以便于對水流流態進行觀測,模型概況如圖1所示。

圖1 模型示意圖

為了測試水墊塘內的空間摻氣分布形式,在模型上沿斷面搭建可移動框架,在斷面上布置若干測點對水體中的摻氣量進行測量,斷面測點布置見圖2所示。采用中國水科院研制的CQ6-2005型摻氣濃度儀測量水墊塘斷面摻氣量。對于淹沒射流區域的摻氣量的測量,為了盡量避免兩側儀器對射流流態的干擾,采用如下方式進行測量:將直徑2 mm的空心探針放置于待測位置,調節可變體積的集氣筒使收集裝置內形成負壓,測點處的水氣混合體通過探針進入收集裝置,通過計算收集裝置內的壓力及空氣體積變化可計算出水氣混合體中的水和氣體體積,摻氣量由φ=Va/(Va+Vw)計算,其中Va為正常大氣壓的空氣體積,Vw為水體積。試驗過程采用旋槳流速儀測量水舌入水流速。

為了表述方便,平面上建立坐標系,以壩軸線與水墊塘中心線的交點為原點,沿壩軸線方向為X軸,沿樁號縱向為Y軸,試驗觀測到水舌落水區域大致在X=-20～20 m,Y=250～270 m范圍內。對水舌落水區域平面摻氣量分布情況進行測試時,為了避免水面波動的影響,測試高程為595 m,測試結果見圖4所示。從圖4中可以看出,1∶100模型上摻氣量分布形式與1∶50模型上有明顯不同,1∶100模型上水舌落水區域摻氣量分布呈三角形,X=-5 m處和X=15 m處(對應水舌左右兩側)出現摻氣量峰值。這是由于入水水舌呈月牙形分布,摻氣源始于月牙形水氣交界面,水舌兩側入水角度略大,由此位置產生的氣泡群入水深度略深,在平面分布圖上能看到明顯兩處峰值。1∶50模型上實測摻氣量分布呈扁平橢圓形狀,分布相對較為均勻,水舌區域以外摻氣量逐漸降低。從分布形式來看,1∶100模型上摻氣量分布相對集中,1∶50模型上摻氣量分布相對分散;從峰值上看,1∶100模型峰值點較為明顯,實測摻氣量峰值約為50%,而1∶50模型上實測摻氣量峰值略低,約為40%。

“機構監管”體制是基于金融機構的類型劃分而確定監管權力的界限，即商業銀行和信托投資公司由銀監會負責監管，證券公司和基金管理公司由證監會負責監管，保險公司由保監會負責監管。在這種體制下，監管者權力行使的對象是金融機構本身，而不是金融機構的某項具體業務或產品。那么，商業銀行的各種理財產品，不論其法律性質如何，一律劃歸銀監會監管。然而，隨著商業銀行理財產品的創新發展，其產品往往集證券、保險、基金、信托等法律特性于一身，難以將其用傳統的“銀行、證券、保險”這樣的業別分類模式對號入座。如此一來，“機構監管”體制的弊端就暴露出來。具體說來，針對商業銀行理財產品的監管存在以下弊端：

表1 模型試驗相關參數

2 試驗結果及其分析

2.1 水舌入水形態

試驗對水墊塘內摻氣量分布進行了測試,選取測試高程為Z=590 m,測試結果見圖5所示。從圖5中可以看出,由于水舌落水點位于水墊塘中心位置,水墊塘內摻氣量呈現中間較高,兩側逐漸降低的分布形式,同時隨著與落水點距離的增加,摻氣量逐漸降低。從具體分布情況來看,1∶100模型上摻氣量分布類似高斯分布,中間高兩側低,在Y=260 m處,水墊塘中心摻氣量約為40%,向兩側逐漸降低,若以摻氣量5%作為摻氣邊界,則1∶100模型上摻氣范圍約在X=-20～40 m之間;1∶50模型上實測摻氣量分布峰值較低,在Y=260 m處,水墊塘中心摻氣量約為30%,摻氣范圍大約在X=-40～40 m之間,且在Y=260～280 m之間摻氣量分布均較為接近。結合水舌沖擊區摻氣量分布圖(圖4),可以看出水舌落水形態不同導致摻氣影響范圍及分布形式都有不同。1∶100模型上水舌較為集中,沖擊區摻氣量峰值較高,但摻氣范圍較小;1∶50模型上水舌較為分散,沖擊區摻氣量峰值略小,但是摻氣范圍較大。

圖3 挑流水墊塘摻氣現象

從試驗結果來看,水舌入水形態直接決定摻氣量分布形態。1∶100模型上水舌入水形態呈月牙形,其摻氣量平面分布呈現三角形;1∶50模型上水舌由于空中裂散,入水時呈現扁平狀,其摻氣量分布形式呈扁平柱狀。雖然1∶50模型水舌入水時攜氣量較大,但是水中摻氣量并沒有明顯高于1∶100模型。由此可見挑流水舌與水面剪切作用帶入的空氣是水墊塘摻氣的主要來源,當水舌分散時,裂散水舌縫隙中攜帶的氣體并不能被帶入水墊塘內,而是在水氣交界面附近快速逸散,水舌的分散反而會降低與水墊塘內水體的剪切作用,從而導致交界面上摻氣量下降,因此1∶50模型的摻氣量反而略低于1∶100模型。

2.2 沖擊區水體摻氣量

圖4 不同比尺模型的水舌落水區域摻氣量等值線

為了便于數據比較,模型試驗數據中的水位、流量、流速及樁號高程等相關變量均按照弗勞德相似準則換算到原型,但摻氣量數據不做換算。試驗相關參數見表1所示。

測試得到1∶100模型水舌入水流速為5.3 m/s(按弗勞德相似準則相當于原型值為53 m/s);1∶50模型水舌入水流速為6.9 m/s(相當于原型值為49.3 m/s)。不同比尺模型水舌入水流速存在差異,按照相似準則換算,1∶100模型對應的原型流速略大。水舌形態觀測結果表明1∶50模型水舌裂散程度高于1∶100模型水舌裂散程度。

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2.3 水墊塘內水體摻氣量

圖5 不同比尺模型的水墊塘摻氣量平面分布

試驗過程中可以觀測到,在深孔出口“下壓上翹”體型的作用下,出口水舌向空中挑起時,受到縱向壓縮而產生橫向加速度,水舌在最高點呈扁平狀,并在空中橫向擴散。在1∶100模型上可以觀測到,水舌跌落水墊塘時呈月牙形分布,其中水舌中部落水點略偏向下游,兩側水舌落水點略靠近上游。落水點下游一定范圍內出現類似水躍的表面旋滾,水流波動劇烈;落水點下游大范圍內有氣泡涌出,氣泡量隨著與水舌落水點距離的增大而逐漸減小。從水墊塘底部可以觀測到水舌落水月牙形區域內產生大量絮狀氣泡群。由于氣泡密度遠低于水的密度,氣泡在下潛過程中速度急劇降低,然后轉為上浮至水面并破裂逸散,因此可以觀察到氣泡量隨水深增加明顯減小(圖3)。在1∶50模型上觀測到,水舌在起挑至最高點時形態與1∶100模型上基本一致,但在水舌達到最高點后開始出現邊緣裂散,水舌落水區域邊界較為模糊,目測近似橢圓狀,而并非1∶100模型上觀測到的月牙形。同樣的從水墊塘底部可以看到柱狀氣泡群在落水區域產生,水墊塘內氣泡分布現象大致與1∶100模型水墊塘內的相同。

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由于氣泡自身上浮運動的特性,水墊塘垂向上總體摻氣量分布趨勢是隨著水深的增大逐漸降低,但由于入射水流的作用,氣泡群會在射流流速帶動下下潛至深處,導致局部摻氣量較大。水墊塘中心剖面上摻氣量分布如圖6所示。對比1∶100模型及1∶50模型上的測試結果,可以發現兩個比尺模型上測試所得摻氣量分布形式大致相同,但在1∶100模型上,射流核心區域摻氣量等值線明顯沿著射流方向向水墊塘底部延伸,摻氣量25%等值線在Y=280 m處可以延伸至Z=580 m高程，而在1∶50模型上未發現等值線明顯向下延伸。從等值線的影響范圍來看,1∶100模型摻氣量等值線影響范圍略大。氣泡下潛的主要影響因素是入射流速的大小,結合入水流速的測試結果,可以得出1∶100模型水舌入水流速相對較大是造成摻氣量垂向影響范圍大的主要原因。

圖6 不同比尺模型的水墊塘中心剖面摻氣量剖面等值線

3 結 論

根據弗勞德相似準則建立1∶100及1∶50兩個不同比尺模型,通過對這兩個模型挑流水舌形態觀測和水舌入水流速、水墊塘摻氣量測量及對比,發現不同比尺模型上的水舌裂散形態有明顯差異,在同樣的孔口擴散體型作用下,1∶100模型上水舌入水形態呈月牙形,而1∶50模型水舌入水形態呈橢圓形。入水流速的測試結果表明水舌入水形態、入水流速的差異進一步導致水墊塘內摻氣量分布形態的不同,1∶100模型水墊塘中氣泡群相對集中于中間區域,同時氣泡群下潛深度較深;1∶50模型氣泡群平面上較為分散,氣泡群下潛深度較淺。

從試驗結果來看,挑流水舌裂散形態存在明顯的比尺效應,若直接將小比尺模型模擬結果換算至原型,則不可避免存在一定的誤差,這種誤差在復雜孔口體型、復雜泄洪運行方式下可能會有進一步變化。本文使用的模型尺度已經遠超常規,試驗結果有一定的代表意義,但水舌流速仍與原型有數量級的差異。無限制增大模型尺度并不現實，如何在兼顧經濟及模擬精度的前提下選擇水工模型比尺,更好的模擬原型水力特性,仍需進一步探討。