基于模型试验的雾化溅水区纵向范围估算

基于模型试验的雾化溅水区纵向范围估算

0宏观试验与数值计算洪水雾雨问题是过去20年来引起人们注意的水保护问题。特别是随着水库高度和流量的增加，污水处理厂的配置空间减少，新泵流量消耗能源的大量应用，导致了洪水泛滥。这给水电工程的安全运行和环境，以及公司和事业单位带来了一定的破坏和经济损失。事实上,泄洪雾化是一种复杂的水-气和气-水二相流,其运动既受泄洪水头、流量、消能工型式和泄洪方式的影响,又受地形、气象等条件的制约,属于水力学、空气动力学和降水物理学等诸多学科交叉的边缘科学问题。目前对泄洪雾化的研究方法主要有三种:原型观测、物理模型试验和数值计算[3~5]。原型观测非常重要,是认识泄洪雾化的重要手段。物理模型试验具有直观、系统的特点,是原型观测的延伸和补充,避免了原型观测受时间和其他条件的限制,可以重复进行。数值计算是建立在原型观测和物理模型试验基础上的一种半理论半经验的分析方法,其显著特点是在充分掌握和分析原型观测和物理模型试验资料的基础上,深入研究泄洪雾化机理,建立泄洪雾化数学模型对雾化过程进行数值模拟。经过20多年的发展,我国投入了大量的人力物力来研究雾化问题,开展过较多的工程问题研究,取得了许多重要进展,在一定程度上满足了水电工程建设的迫切需要。但是由于泄洪雾化问题十分复杂,目前还没有形成成熟、系统的成果,还存在许多不足和缺陷,主要表现在以下几方面:(1)雾化机理研究不够系统、深入;(2)原型观测受现场复杂因素的影响,许多观测数据往往是一个大概数,而且原型观测资料的系统性较差,每个工程的水流、地形及气象条件都不同,直接应用和引伸有困难;(3)模型试验的相似律问题没有统一认识,由于在模型比尺选择及缩尺效应影响等方面还存在未解决的问题,雾化试验的相似律受到许多专家和学者的质疑,有些学者甚至认为根本就不存在相似律;(4)各研究机构对泄洪雾化数值模型建立和参数选取的统一性较差;(5)新型挑流消能工及运行方式不断出现,这些措施对雾化的影响究竟怎样,还是一个需要研究的问题。这几方面的不足和缺陷,核心问题是对雾化机理的认识不够深入,并缺乏有效的研究手段,制约了雾化研究总体水平的提高。泄洪雾化模型试验分为常规模型试验和专项模型试验两种,虽然雾化模型试验存在缩尺效应,但雾化机理、雾雨的运动规律和影响因素不会发生变化,因此可以通过专项溅水试验来研究挑流泄洪雾化产生的机理及影响因素,从而和原型观测资料一起为常规模型试验和数值计算中主要影响因素的选择和参数的确定提供依据,达到深入认识雾化机理并完善和发展常规模型试验和数值计算的目的。考虑到水舌入水喷溅是主要的雾化源,本文即通过物理模型专项溅水试验研究并结合原型观测资料成果,对挑流泄洪雾化的产生机理、主要影响因素及雾化范围的一些规律进行探讨。1试验设计和试验过程试验在一特制的溅水试验装置上进行,为便于控制水舌入水速度及入水角度,利用安装在一个高水箱内的水泵(保持功率不变)产生射流,射流与水垫塘内水面碰撞后形成溅水,水泵出水管为可调角度的钢质圆管,水垫塘横断面为梯形。在水垫塘表面划分0.23m(长)×0.42m(宽)的网格,在网格节点处放置直径约为4.9cm的海绵盒,盒内放有吸水性较好的脱脂棉。雨强计算采用称重法,根据不同工况,在水池上布置60~120个海绵盒,用千分尺测出海绵盒内径(多次测量取平均值),然后算出海绵盒底面积S,再用电子天平称出试验前海绵盒的质量m,在试验进行时间t(一般为30分钟)后,称出试验后海绵盒质量M,最后计算各点降雨强度I(I=(M-m)/ρSt),画出雨强等值线分布图,即可以判断出该工况下溅水区的范围。在试验过程中,主要考虑了水舌入水速度、入水角度和入水面积对溅水区范围的影响,在试验过程中水垫塘内水深始终保持为一定值。试验工况如表1所示。2宏观地理单元原理的应用各工况降雨强度等值线图如图1~图7所示,其中雨强单位为mm/h,图中x方向为泄洪雾化的纵向范围,y方向为横向范围,星号代表水舌入水点位置。考虑到试验数据的精度,溅水区的纵向距离取水舌入水点到1mm/h等雨强线的最远点;横向距离取泄流轴线到1mm/h等雨强线的最远点。各工况溅水区的纵向距离和横向距离见表2。由图1~图7和表2可以直观地看到,挑流泄洪雾化溅水区的纵向范围与横向范围皆随入水角的减小而增加。由于影响泄洪雾化的因素很多,如水头、流量、挑坎体型、泄洪方式、地形和气象等因素,在一次模型试验中难以全面反映各种因素的影响程度。因此本文的研究重点为影响泄洪雾化的主要因素,可归纳为水舌入水速度(水头)、入水角度(挑坎体型)和流量3个参数。从水舌入水引起激溅反弹的机理分析:上下游水位差与泄流量越大,入水角度(水舌与水平面的夹角)越小,下游水垫越浅,泄洪雾化就越严重。考虑到在水工设计中,一般都对水垫塘深度进行了优化设计以将塘底所承受的冲击压力控制在一定范围内,水垫塘内的水深一般都比较大,因此水垫深度可不作为影响泄洪雾化的主要因素。综合考虑以上3个主要影响因素,泄洪雾化纵向范围的估算公式可以通过以下方法得到:假定泄洪雾化纵向范围L与水舌入水速度V、入水角度θ的余弦函数、流量Q、重力加速度g有关,则有:式中C为常系数,K1、K2、K3和K4为各项的指数。根据量纲和谐原理,有:将式(2)代入式(1),则式(1)的表达式变为:对式(3)两边同时取对数,整理得到:将表1和表2中的试验数据代入式(5)中,应用线性最小二乘法计算得到各个系数分别为:将式(6)代入式(3)可得:式(8)即为基于最小二乘法原理建立的可用于估算本次泄洪雾化专项试验溅水区纵向范围的经验关系式。从式(8)的物理意义来看,它表征的是当水舌入水激溅产生雾化时,水舌的各项水力学指标如入水时的流速水头、入水面积以及入水角度对泄洪雾化纵向范围的综合影响。其中入水时的流速水头对泄洪雾化的影响最为显著,入水角度次之,而入水面积的影响则相对较小。进行进一步的分析,可得出以下一些规律:1.泄洪雾化纵向范围受流速水头的影响最为显著,雾化范围和流速的3.165次方成正比。流速的增大一方面会加剧水舌的紊动,促进水气交汇层上涡体的混掺和交换,使水舌的破碎和掺气更加充分;另一方面又会使伴随产生的水舌风及水舌入水时的击溅作用更加强烈。这也就是为什么在高坝泄洪时雾化会相当严重,而在低坝中却不明显。2.泄洪雾化纵向范围受水舌入水角度的影响仅次于流速水头的影响,同样也比较显著。入水角小,雾化范围大;入水角大,雾化范围小。这一点在二滩原型观测成果中得到了体现*:当二滩七表孔全开时,水头187.91m,流量6024m3/s;六中孔全开时,水头184.59m,流量6856m3/s。两者水头相差-1.77%,流量相差13.81%。原型观测的结果是中孔泄洪时雾化范围要比表孔泄洪时扩大约15~20%(以雾化边界为基准)。可见表、中孔分别泄流时水头差别不大(即入水速度差别不大),流量差别也不大,且由流速和流量二者的差异造成雾化范围变化还有相互抵消的趋势。但中孔泄洪时雾化范围却比表孔泄洪时雾化范围大得多,主要就是中孔泄洪水舌入水角小的原因。3.泄洪雾化纵向范围与水舌入水面积的-0.2913次方成正比,表明入水面积的变化对雾化范围的影响较小。水舌入水面积在流量相同的前提下,其差别主要体现在采用不同的挑坎体型,使水舌沿横向或纵向拉开,加大空中掺气量,从而增大了空中水舌的雾化源量和水舌的入水面积。但是水舌在空中的掺气量越大,内部处于密实或半密实状态的水体就越少,入水后产生的激溅作用也小,从而导致水舌入水喷溅所产生的雾化源量变小(而研究表明入水喷溅才是主要的雾化源)。因此,与前两个因素相比对雾化范围的影响较小,也就是说采用新型消能工(如窄缝、扭曲、舌型鼻坎)等“纵向拉开、横向扩散”的消能原则对雾化范围的影响并不显著,这一点从东江溢洪道雾化原型观测中得到验证ue012ue012。东江左滑雪道采用扭曲坎,右滑雪道采用窄缝坎,在其他条件一致的情况下,窄缝坎的入水面积比扭曲坎的大,但下游雾化范围却基本一致。4.由于实际工程水垫塘两侧都有边坡,因此雾化范围的纵向距离一般比横向距离大。本次试验没有模拟边坡对泄洪雾化范围的影响,但是由于试验中水垫塘的宽度相比水舌的宽度并不是很大,因此可以反映出水垫塘宽度对泄洪雾化范围的影响规律。从表2可以看到,泄洪雾化的横向距离随入水角度的增大而增大,并且在入水角度超过20°以后超过纵向距离。这是因为水舌入水后,在水垫塘表面激起一个涨水波,该涨水波在纵向随水流向下游传播的过程中逐渐衰减消亡;而在横向,涨水波遇到水垫塘边坡的阻挡后将形成反射波,两列波相遇后互相扰动,加剧水面破碎形成溅水,从而加大了横向溅水距离。这也是狭窄河谷的雾化问题比宽阔河谷严重得多的一个原因。3水舌入水角度的影响本文通过挑流泄洪雾化专项溅水模型试验,研究了泄洪雾化范围与各主要影响因素之间的关系,发现(1)泄洪雾化纵向范围受流速水头的影响最为显著,雾化范围和流速的3.165次方成正比。(2)泄洪雾化纵向范围受水舌入水角度的影响仅次于流速水头的影响,同样也比较显著。入水角小,雾化范围大;入水角大,雾化范围小。(3)泄洪雾化纵向范围与水舌入水面积的-0.2913次方成正比,表明入水面积的变化对雾化范围的影