跌落射流沖擊豎井底部水池實(shí)驗(yàn)研究

劉 虹, 劉甲春

跌落射流沖擊豎井底部水池實(shí)驗(yàn)研究

劉 虹, 劉甲春*

（寧波大學(xué) 土木工程與地理環(huán)境學(xué)院, 浙江 寧波 315211）

在跌落式城市排水豎井中, 水流跌落一定距離后, 通常攜帶著大量能量. 當(dāng)它沖擊豎井底部時(shí), 會(huì)產(chǎn)生明顯壓力脈動(dòng), 對(duì)豎井結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn). 本文建立排水豎井物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 研究跌落射流對(duì)豎井底部消能池的沖擊作用, 分析豎井底部的壓力脈動(dòng)與分布以及豎井跌落高度和底部水池深度對(duì)沖擊壓力的影響. 結(jié)果表明: 水平射流沖擊豎井井壁后, 分為沿豎井壁向下的環(huán)形流和自由落體的射流. 當(dāng)?shù)渌髁髁枯^小時(shí), 豎井底部高壓區(qū)域集中在靠近下游管道一側(cè); 隨著流量逐漸增加, 環(huán)形流面積持續(xù)增大, 高壓區(qū)域逐漸由下游側(cè)向上游側(cè)過渡. 增加下游管道水深可有效降低豎井底部的平均沖擊壓力, 增加水墊層深度可有效降低豎井底部沖擊壓力脈動(dòng). 當(dāng)水流在豎井中達(dá)到最終速度后, 繼續(xù)增加豎井跌落高度將不會(huì)產(chǎn)生更大沖擊壓力.

跌落式豎井; 沖擊壓力; 水墊層; 跌落高度; 最終速度

排水豎井作為連接深層排水系統(tǒng)與淺層排水系統(tǒng)的重要組成部分, 其內(nèi)部高流量和高落差的水流往往具有很大能量. 為減少水流對(duì)構(gòu)筑物的破壞, 需對(duì)其進(jìn)行消能處理. 一般來說, 豎井中的消能過程包括(1)入流過程中的自由跌落[1]; (2)入流后, 沖擊在對(duì)面的豎井邊壁上[2]; (3)沿豎井邊壁向下流動(dòng)產(chǎn)生摩擦[3]; (4)跌落水流沖擊在豎井底部水池上, 產(chǎn)生能量損失[4].

豎井中的水流在跌落一定高度后, 可能會(huì)分解成直徑2mm的小水滴[5]. 這些水滴會(huì)受到更強(qiáng)烈的空氣阻力, 使得流動(dòng)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為周圍空氣和水滴自身的熱能[6]. Ma等[7]使用物理模型研究了液滴的大小和速度, 在動(dòng)量守恒方程基礎(chǔ)上, 建立了一個(gè)數(shù)值模型來預(yù)測(cè)豎井中水流所拖拽的空氣量. 入流量迅速增加所導(dǎo)致的湍流還會(huì)引起管道內(nèi)流動(dòng)的不穩(wěn)定性[8]. 通過改變?nèi)肓鞣绞? 從而在豎井中形成湍流或渦區(qū)來耗散能量[9-11].

影響豎井消能效果因素有很多, 包括豎井體型結(jié)構(gòu)[12-14]、消能室的設(shè)置[15]、進(jìn)水管入流流量[8]和入流特性[1,16]、內(nèi)部水力特性[17-19]、水流破碎情況[20]. 為防止跌落射流對(duì)豎井底板造成沖擊破壞, 通常會(huì)在豎井底部設(shè)置水墊層. 跌落射流沖入豎井底部的水墊層時(shí), 會(huì)消耗自身大部分能量, 形成劇烈湍流[21-22]. 自由射流產(chǎn)生的沖擊力可由射流的運(yùn)動(dòng)方程[23]和射流角度[24]來計(jì)算, 并且水墊層厚度等[25]對(duì)沖擊力大小有著重要影響.

因此, 研究跌落豎井的消能機(jī)理和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義. 目前對(duì)射流沖擊機(jī)理的研究多為大壩中自由射流對(duì)水墊層的沖擊[17], 而對(duì)于深層豎井內(nèi)射流沖擊機(jī)理的研究較少. 本文建立跌落高度為1.88m的物理模型, 利用水墊層及擋板研究不同豎井底部水池深度對(duì)沖擊射流的緩速影響以及對(duì)豎井底部沖擊壓力變化的影響, 并分析不同跌落高度下豎井的沖擊壓力, 以期可為不同高度下跌落豎井的設(shè)計(jì)和保護(hù)提供相關(guān)依據(jù).

圖1 跌落式豎井試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

1 方法論

1.1 模型設(shè)計(jì)安裝

實(shí)驗(yàn)裝置建立在寧波大學(xué)可持續(xù)排水與安全實(shí)驗(yàn)室, 如圖1所示. 模型由加拿大埃德蒙頓市使用的典型尺寸豎井模型按照1:3比例設(shè)置[3,5]. 上游管道直徑為u=0.26m, 長(zhǎng)度為u=3.00m, 下游管道直徑為d=0.36m, 長(zhǎng)度為d=2.86m. 豎井直徑s=0.36m, 上游管道底部和下游管道底部之間的高差Δ=1.88m, 豎井頂部設(shè)置直徑為0.10m進(jìn)氣孔. 在下游管道末端安裝可升降擋板, 控制下游的出水能力和水面高度. 豎井底部安裝壓力傳感器(OMEGA PX409), 位置如圖1(a)所示, 用以觀察射流對(duì)底部沖擊的壓力分布; 壓力數(shù)據(jù)通過NI數(shù)據(jù)采集板采集. 上游管道的入流流量采用電磁流量計(jì)(KROHNE OPTIFLUX 2300F)測(cè)量. 通過攝像機(jī)(Canon EOS 90D)以25fps?s-1速度拍攝豎井底部的沖擊射流情況.

具體實(shí)驗(yàn)過程如下: 水流從進(jìn)水口進(jìn)入上游管道, 流入豎井. 水平射流撞擊在對(duì)面豎井井壁之后, 分為沿井壁向下的環(huán)形流和自由跌落的射流. 環(huán)形流沿豎井內(nèi)壁經(jīng)過短距離擴(kuò)散后覆蓋豎井的內(nèi)表面, 流量越大, 環(huán)形流的覆蓋范圍越大. 當(dāng)?shù)渖淞鞯竭_(dá)豎井底部水池時(shí), 可產(chǎn)生較大的速度. 跌落射流與水池內(nèi)的水流混合后, 在豎井底部形成強(qiáng)烈的湍流. 當(dāng)下游管道末端未設(shè)置擋板時(shí), 水流通過下游管道從出水口順利排出; 當(dāng)在下游管道末端安裝擋板時(shí), 水流會(huì)先在下游管道內(nèi)積聚, 當(dāng)增加到一定深度后, 以溢流形式排出.

表1列示了本文所有的實(shí)驗(yàn)工況. 工況中水流的入流流量控制在0.005～0.060m3?s-1之間, 總共包括12個(gè)流量值, 流量梯度為0.005m3?s-1. 工況A系列的目的是研究水墊層和下游擋板對(duì)水流沖擊豎井底部的減緩作用, 如圖1(a)、1(b)、1(c)所示, 水墊層深度(p)分別為0.0、0.1、0.2m, 擋板高度(b)分別為0.0、0.1、0.2m. 工況B系列采用設(shè)置水墊層和下游擋板的組合措施, 研究不同增加水深方案對(duì)沖擊壓力的緩解效果. 工況A3、A5和B1分別增加下游管道中水深和水墊層的深度, 研究相同水深情況下不同措施對(duì)沖擊壓力的影響; 工況B2、B3、B4主要分析設(shè)置水墊層與下游擋板的組合措施對(duì)緩解沖擊壓力的影響.

表1 模型實(shí)驗(yàn)工況列表 m

注: 流量()為0.005～0.060m3?s-1.

1.2 數(shù)據(jù)采集及頻率靈敏度分析

由于豎井底部水與空氣的劇烈相互作用, 導(dǎo)致較大的壓力脈動(dòng), 但由于壓力傳感器在低頻情況下可能無法采集到完整的壓力脈動(dòng)范圍. 因此, 采用在不同頻率=50、100、200、500、1000Hz情況下收集數(shù)據(jù), 研究頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響. 不同頻率下豎井底部的壓力脈動(dòng)如圖2(a)所示. 當(dāng)=0.030m3?s-1、=1000Hz時(shí)的最大壓力為21.2kPa, 而=50Hz時(shí)的最大壓力為12.1kPa, 相差75.2%. 采集頻率越大, 則收集到的數(shù)據(jù)能更好地反映出豎井底部的壓力脈動(dòng). 圖2(b)為不同頻率下豎井底部沖擊壓力的箱形圖. 可以看出在每個(gè)頻率處, 箱體的高度與平均值一致. 隨著頻率的增加, 壓力異常值增大, 壓力分布呈右偏狀態(tài), 即異常壓力分布在較大一側(cè). 采集頻率對(duì)平均壓力影響不顯著, 最大壓力隨采集頻率的增加而不斷增加. 因此, 本文中所有工況都在=1000Hz的頻率下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 以確保沖擊壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性.

圖2 頻率敏感性分析

2 結(jié)果與討論

2.1 豎井底部沖擊壓力分布

圖3(a)為不同流量下豎井底部水池內(nèi)的水流流態(tài). 跌落射流在撞擊豎井底部水池后發(fā)生轉(zhuǎn)向, 在豎井底部形成上下循環(huán)流, 其中大部分水流回卷, 沿井壁上升, 并與下降水流相互碰撞, 被消去大量沖擊能量, 同時(shí)被輸送到下游. 流量越大, 射流沖擊造成的水流回卷高度越高. 在跌落高度為1.88m豎井中, 射流沖擊豎井側(cè)壁后, 形成沿著豎井壁流動(dòng)的環(huán)形流. 流量越大, 環(huán)形流范圍越大.

圖3(b)和圖3(c)為不同流量下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均沖擊壓力和最大沖擊壓力. 由圖可見, 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平均沖擊壓力隨著流量的增加逐漸增大. 在小流量(＜0.030m3?s-1)時(shí), 環(huán)形水流未得到充分發(fā)展. 豎井底部下游側(cè)的沖擊壓力大于上游側(cè), 下游側(cè)出現(xiàn)較大的壓力峰值. 而在大流量(≥0.030m3?s-1)時(shí), 增大流量的主要發(fā)展為環(huán)形流, 直至完全覆蓋豎井的內(nèi)表面. 相對(duì)少的水以跌落射流形式?jīng)_擊在靠近下游的豎井底部位置, 因此在豎井底部下游側(cè), 沖擊水流的影響相對(duì)較小.6和7點(diǎn)的壓力由于環(huán)形流的擴(kuò)散而增大. 在所有流量下, 上游側(cè)1處的平均壓力和峰值壓力最小, 下游側(cè)4和5處的脈動(dòng)最大且更強(qiáng)烈.

2.2 水深對(duì)射流沖擊壓力的影響

通過在豎井底部設(shè)置水墊層和下游管道末端設(shè)置擋板增加豎井底部水深, 來研究?jī)煞N措施對(duì)射流沖擊壓力的影響, 如圖4(a)所示. 工況A系列通過增加擋板以增大水深. 在小流量下, 下游管道的上部有很大空間, 此時(shí)豎井內(nèi)水流攜帶的空氣流入出水管不受擋板影響(工況A1). 在=0.030 m3?s-1, 擋板高度為0.2m時(shí), 下游管道中的水深達(dá)到0.35m, 此時(shí)在下游管道末端, 擋板前部水汽充分混合, 使得擋板上部空氣通道被涌浪堵塞(工況A3).

圖4(b)和4(c)為不同水墊層深度和擋板高度下的豎井底部沖擊壓力變化. 豎井底部的壓力由兩部分組成, 一部分是水深產(chǎn)生的靜壓, 另一部分為射流產(chǎn)生的沖擊壓力. 在流量=0.050m3?s-1時(shí), 無擋板、0.1m擋板和0.2m擋板情況下(工況A1、A2和A3)的沖擊壓力分別為4.1、3.1和2.2kPa. 水深增加了豎井底部的靜水壓強(qiáng), 但減緩了水流的沖擊. 由于增加水深減緩的沖擊壓力小于增加水深帶來的靜水壓強(qiáng), 因此豎井底部總壓力隨著水深的增加而增加.

圖4 水墊層和擋板的消能效果

在工況A5中, 流量=0.030m3?s-1, 消能水池內(nèi)的水深為0.2m, 此時(shí)豎井底部受到的最大沖擊壓力為7.7kPa. 相較于無水深情況(工況A1), 最大壓力減少了78.6%, 且壓力脈動(dòng)最平穩(wěn). 消能水池水深越大, 對(duì)最大沖擊壓力的緩解效果越好. 當(dāng)流量=0.025m3?s-1時(shí), 0.1m和0.2m水深的消能水池內(nèi)的最大沖擊壓力差值達(dá)到了66.1%; 而當(dāng)≥0.035m3?s-1時(shí), 最大壓差只有約為10%. 其原因是最大沖擊壓力受豎井底部流態(tài)影響, 當(dāng)大流量下射流形成的向上回卷的水流與跌落環(huán)形流碰撞時(shí), 消耗了較大的能量, 因而繼續(xù)增加豎井底部水池深度對(duì)緩解最大壓力影響不大.

向上或向下增加水深能在一定程度上緩解跌落射流的沖擊壓力. 在此分析當(dāng)豎井底部總水深分別為0.2、0.3和0.4m時(shí), 底部受到的沖擊壓力. 水墊層和擋板總共有6種組合, 圖5(a)給出了6種工況下豎井底部的平均沖擊壓力. 通過對(duì)比豎井底部總水深為=0.2m的各種工況, 可以看出設(shè)置0.2m擋板所產(chǎn)生的平均沖擊壓力要小于單獨(dú)設(shè)置0.2m水墊層或設(shè)置0.1m水墊層和0.1m擋板組合措施所產(chǎn)生的平均沖擊壓力. 增加下游管道內(nèi)的水深可有效降低豎井平均沖擊壓力, 而增加消能池深度可有效降低豎井底部受到的最大沖擊壓力.

圖5(b)為豎井底部的最大沖擊壓力. 豎井底部最大沖擊壓力隨著水深的增加而不斷減小, 而平均沖擊壓力不隨水深的增加而減小. 這是由于水深越大, 產(chǎn)生的靜水壓力就越大. 雖然射流產(chǎn)生的最大沖擊壓力隨總水深的增加而減小, 但靜水壓力隨總水深的增加而增大. 因此, 增加水深并不一定會(huì)降低豎井的平均沖擊壓力, 但可以有效降低豎井底部的最大沖擊壓力.

2.3 跌落高度對(duì)底部射流沖擊力的影響

在豎井進(jìn)口處, 當(dāng)水平水流沖擊到對(duì)面豎井井壁后, 將形成貼壁向下流動(dòng)的環(huán)形流和自由跌落的射流, 其中自由落體射流所占比例較小, 一般不超過0.2. 環(huán)形流沿豎井壁面下降時(shí), 其速度不斷增加. 如果豎井的跌落高度足夠大, 環(huán)形流向下移動(dòng)一定距離后, 即可達(dá)到最終速度. 豎井底部沖擊壓力大小與跌落射流的最終速度和水深有關(guān)[19], 而環(huán)形流達(dá)到最終速度的相應(yīng)時(shí)間可由非線性方程求得[19]. 由于豎井壁的摩擦和水流相互影響, 環(huán)形流的加速度小于重力加速度, 因此跌落射流的跌落高度可以粗略地由末端速度和達(dá)到末端速度所需的時(shí)間來推算.

圖5 水墊層與擋板組合的消能效果

如果豎井總高度小于跌落射流達(dá)到最終速度的高度, 射流對(duì)豎井底部的沖擊壓力則隨跌落高度的增加而增大. 當(dāng)?shù)涓叨却笥谠摳叨葧r(shí), 繼續(xù)增加跌落高度也不會(huì)增加豎井底部的最大沖擊壓力. 不同流量下的跌落高度如圖6(a)所示. 當(dāng)在0～0.040m3?s-1時(shí), 跌落射流達(dá)到最終速度的跌落高度小于1.88m. 進(jìn)一步增加豎井的跌落高度并不能產(chǎn)生更大的沖擊壓力, 因而沖擊壓力變化不顯著. 當(dāng)=0.040m3?s-1時(shí), 跌落射流達(dá)到最終速度所需的跌落高度約為1.95m, 超過了上下游管道的落差. 因而流量越大, 達(dá)到最終速度所需跌落高度越高, 產(chǎn)生沖擊壓力越大. Liu等[22]對(duì)1.88m和3.38m兩個(gè)跌落高度的沖擊壓力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究, 如圖6(b)所示. 結(jié)果表明: 在小流量時(shí), 1.88m和3.38m落差處的平均壓力和最大壓力相對(duì)接近; 當(dāng)>0.040 m3?s-1時(shí), 3.38m落差處的平均沖擊壓力約為20.0 kPa, 顯著高于1.88m落差處的沖擊壓力.

圖6 跌落高度分析

3 結(jié)論

基于物理試驗(yàn)方法, 研究了豎井底部水池對(duì)跌落射流沖擊壓力的減緩作用, 分析1.88m跌落高度下, 豎井內(nèi)沖擊壓力的變化規(guī)律及增加跌落高度分析對(duì)沖擊壓力的影響, 得到以下結(jié)論:

(1)當(dāng)排水豎井的跌落高度為Δ=1.88m, 小流量工況下, 跌落射流產(chǎn)生得到?jīng)_擊壓力主要位于靠近下游管道側(cè). 隨著流量的增加, 貼井壁的環(huán)形流流量擴(kuò)大, 沖擊區(qū)域逐漸由下游側(cè)向上游側(cè)移動(dòng), 因而高壓區(qū)域逐漸移動(dòng)至上游側(cè).

(2)增加豎井底部水池深度可以有效減小豎井底部的壓力脈動(dòng)和最大沖擊壓力. 但由于水深增加, 導(dǎo)致靜水壓力也在增加, 所以豎井底部的平均壓力并沒有隨著水深的增加而降低.

(3)增加下游管道中的水深可以有效減輕豎井底部受到的平均沖擊壓力, 而增加豎井底部消能池深度可有效緩解豎井底部的沖擊壓力脈動(dòng).

(4)豎井底部的沖擊壓力與跌落射流的末端速度有關(guān). 如果豎井總高度小于射流達(dá)到最終速度的跌落高度, 則壓力隨跌落高度的增加而增大; 當(dāng)?shù)涓叨却笥诖烁叨葧r(shí), 跌落射流的末端速度達(dá)到最終速度后不再增加.

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Experimental study on the falling jet impinging on the plunge pool in the dropshaft

LIU Hong, LIU Jiachun*

( School of Civil & Environmental Engineering and Geography Science, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

In the plunging drop shaft, the water flow usually carries a large amount of energy after falling a certain distance. When it impinges the bottom of the dropshaft, it generates significant pressure pulsation, which poses a risk to the structural safety of the dropshaft. In this paper, an experimental model of a plunging dropshaft was constructed. The impact of the fall jet on the plunge pool at the bottom of the dropshaft was studied, and the pressure pulsation and distribution as well as the effect of the drop height of the dropshaft and the depth of the pool on the impact pressure were analyzed. The results show that the horizontal jet impacting the shaft wall is divided into a downward annular flow along the dropshaft wall and a free-falling jet. When the falling water flow is small, the high-pressure area at the bottom of the shaft is concentrated on the side near the downstream pipe; as the flow gradually increases, the annular flow area continues to increase and the high-pressure area gradually transitions from the downstream side to the upstream side. Increasing the water depth of the downstream pipe can effectively reduce the average impact pressure at the bottom of the shaft and increasing the depth of the water cushion can effectively reduce the impact pressure pulsation at the bottom of the shaft. When the water flow reaches its terminal velocity in the shaft, continuing to increase the drop height of the shaft will not generate more impact pressure.

dropshaft; impinge pressure; water cushion; drop height; terminal velocity

TU992

A

1001-5132（2023）03-0072-07

2022?06?21.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金（60874083）; 浙江省教育廳科研項(xiàng)目（Y200907622）; 寧波大學(xué)科技學(xué)院預(yù)研項(xiàng)目（003-21021003）.

劉虹（1996－）, 女, 浙江衢州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 排水管道輸移規(guī)律及沖擊機(jī)理. E-mail: liuhong2724@163.com

通信作者:劉甲春（1961－）, 男, 山東濟(jì)寧人, 博士/講師, 主要研究方向: 城市管網(wǎng)水力學(xué)、豎井消能與空氣卷吸. E-mail: liujiachun@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）