溢流坝挑流水舌断面形态演化的实验研究

溢流坝挑流水舌断面形态演化的实验研究

在节水电工程中，脱流消能是一种更经济、施工方便的消能方法。它特别适用于低利水条件下的良好岩石。从溢流水库中选出的浮舌的航空运动与洪水的消除和溶解密切相关。研究其混合和扩散特征，相关剖面特征和水流因素的轨迹变化具有非常重要的设计应用价值。虽然关于舌裂的特征有很多研究，但它主要集中在运动轨迹和舌裂的清洗特征上。在水舌特征的研究方面，刘宣烈等人通过衰减和近视三维摄影法对舌裂的变化进行了试验研究，并制定了评价水舌维数的参考标准。同时，对舌的垂直和水平延伸也进行了探讨。对于水的抗日战争，拉杆h以流动稳定性理论为基础，研究了圆形射流的稳定性和失稳阶段的剖面发展。从咬口口口口口的舌型中，其初始剖面通常是矩形的。虽然口水口口的形状发展与有效洗脱液和雾的来源密切相关，但尚未进行过详细的研究。在这种情况下，我们通过实验对等宽试验和窄缝隙试验的舌段形状进行了探讨。1实验过程及模型的建立为使实验成果贴近工程实际,采用湖南省东江水电站右岸滑雪式溢洪道为研究背景,取长度比尺λL=62.5,模型由塑料板制成.对窄缝挑坎,模型剖面图与平面图如图1所示.等宽挑坎的模型剖面图与图1相同,其平面图如图2所示.在实验过程中,对等宽挑坎,共进行了挑角θ为11°,20°,28.5°三组实验;对窄缝挑坎,则进行了θ为11°和0°两组实验.等宽挑坎与窄缝挑坎前部的宽度均为16cm,挑坎出口断面水深为3~8cm,断面平均流速为3~6m/s.限于篇幅,本文仅给出了部分实验成果.在试验过程中,水舌以一定的角度从挑坎挑射而出,为测量由此而形成的挑流水舌断面形状与尺寸的沿程变化,特制了一个由12根测针组成的量测装置,其概化图如图3所示.由该装置实测出挑流水舌断面特征点的坐标,由其即可获得不同下游位置处的挑流水舌断面面积A及湿周χ.2等宽采样、固井、舌段形状发育2.1下缘到扩散段a水舌从挑坎挑出后,其横向宽度将沿程增加,而从其垂向厚度的沿程变化上则可将其大致分为如下三个阶段:紧密段、扩散段、破碎段.(1)紧密段.挑流水舌自出坎断面起,在一定的范围内,由于水流运动速度大,惯性作用很强,水舌基本上保持着与反弧段曲线一致的运动,其上缘呈下凹型,凹的幅度较小,下缘则基本上保持为一平面,且水舌上缘挑角一般要比下缘挑角为大.在这一阶段内,水舌的两边缘厚度略高于中间厚度,详见图4(a).该段直接受挑坎边界与水舌出坎前的水流运动特性所影响,可将其视为射流运动的近区.(2)扩散段.挑流水舌在过了紧密段以后,挑坎边壁对水舌的影响已基本消失.在这一阶段内水舌本身的紊动扩散作用、重力作用和空气阻力作用是影响水舌运动的主要因素.由于紊动扩散作用,水舌断面面积沿程增大;重力作用(在水舌上升段)和空气阻力作用使得水舌断面平均流速沿程减小.在该段内,由于流速的下降比宽度的增加要快得多,因此,水舌的厚度在该阶段是沿程增加的,尤其是处于中间位置的水舌其厚度增加更快,详见图4(b)、(c).(3)破碎段.在扩散段的末端,已有大量空气掺入水舌内部,以至于水舌基本上呈海绵状结构,其断面形状则甚不规则.如果破碎状况继续发展下去,则水舌将完全破碎成水滴降落,而水舌的运动则可视为粒子驱动的流体运动.2.2x/l的影响挑流水舌出挑坎后,其断面要素如断面面积、湿周将沿程变化.图5给出了上游水位为56.55cm、挑角为11°的条件下挑流水舌无量纲断面面积A/A0与湿周χ/χ0的沿程变化,图中x为距挑坎的水平距离,L为挑距.由图5可知,A/A0与χ/χ0皆随x/L的增加而增加,且近似有A/A0=1+λ1x/L(1)χ/χ0=1+λ2x/L(2)A/A0=1+λ1x/L(1)χ/χ0=1+λ2x/L(2)实验成果表明,当上游水位为48.35cm时,λ1=1.5173,λ2=0.3526;而当上游水位增加为56.55cm时,λ1变为3.2372,λ2变为1.0814.由于λ1>λ2,因而面积随流程的相对增加率要高于湿周的相对增加率;且上游水位愈高,面积与湿周的相对增长愈快.3选择狭窄的开口，用手术刀挖水，形状发育3.1由水舌上缘特点所引发的水舌垂向厚度变化挑流水舌出挑坎后,在重力、空气阻力的作用下运动,同时由于水舌的强烈紊动在其外缘还存在扩散掺气.类似图4,窄缝挑坎上的挑流水舌运动也可分为紧密段、扩散段与破碎段三段,详见图6.(1)紧密段.水舌刚出挑坎时,由于其运动流速较大,水流受惯性的影响较大,水舌一方面沿纵向拉开,同时在一定的纵向范围内在横向还将继续收缩.水舌上缘两侧的冲击波对撞后逐渐消失,水流紊动强烈,水舌的四周出现少量的散水.在此段内水舌断面形状基本不变,近似呈长方形,如图6(a).(2)扩散段.水舌上缘紊动剧烈,掺气充分,且其横向扩散甚为明显,由此导致水舌顶部宽度明显增大.从整个水舌的发展来看,由于受重力作用的影响,上半部分的水体往下沉,使得大部分的水体逐渐集中于断面的下部,水舌上半部分的断面宽度变小,下半部分的宽度变大.综合以上的特点,该段水舌的断面形状特点表现为:头大、颈细、腹肥,呈“垒球棒”形状,如图6(b).(3)破碎段.随着挑流水舌的发展,水舌上缘的水体在其下部流速相对较高的主体水舌的带动下,继续沿横向扩展,直至逐渐破碎,并从水舌的两侧下跌.水舌脉动比较明显,其从两侧下跌的水体并不对称,有时从两边下跌,有时从一边下跌.该部分的水舌掺气充分,水流基本上失去整体性,其断面的外形轮廓呈“蘑菇”状,如图6(c)所示.在水舌沿程发展过程中,任一断面的水舌形态与上游水位、挑坎挑角及挑坎形式有关.在上游水位较高、挑坎宽度较小的情况下,水舌的纵向拉开较大,水舌上缘挑得较高,基本上呈45°角射出(但一般都达不到45°),水舌紊动剧烈,掺气较充分.相反,在上游水位较低、挑坎宽度较大的情况下,水舌上缘的出射角一般较小,水舌的整体性较好,其掺气扩散的程度也较小.如上游水位、水舌出坎条件等不变,水舌垂向厚度的变化反应为:先沿程增大,待水舌接近入水区时其厚度又有所减少.挑坎挑角的不同直接影响到水舌的挑距和水舌的垂向厚度.本次实验成果表明,在上游水位相同的情况下,挑坎挑角越大,水舌挑距也越大,水舌的垂向厚度则越小.事实上,实际工程中窄缝挑坎的挑角一般都是取0°,这样可以使水舌纵向充分拉开,加大水舌的入水宽度,以减少挑流水舌单位面积的入水能量,进而减小其对下游河床的冲刷.3.2x/l对0的影响图7给出了窄缝挑坎出口宽度为4cm,挑角为11°,上游水位为16.48cm时挑流水舌断面面积与湿周的沿程变化,图中所用符号同图5.由图7可知,无量纲断面面积A/A0与湿周χ/χ0皆随x/L的增加而增加,且近似有A/A0=1+ξ1x/L(3)χ/χ0=1+ξ2x/L(4)A/A0=1+ξ1x/L(3)χ/χ0=1+ξ2x/L(4)实验成果表明,当上游水位为16.48cm时,ξ1=6.0735,ξ2=5.1285;而当上游水位增加为22.79cm时,ξ1变为8.4268,ξ2变为5.7021.由于在两种水位下皆有ξ1>ξ2,因此面积随流程的相对增加率要高于湿周的相对增加率;而就断面面积与湿周随上游水位的变化而言,则有上游水位愈高,面积与湿周有随流程相对增加愈快的趋势,且面积的相对增加率要高于湿周的相对增加率.4底部下凹形演变(1)实验成果表明,水舌在离开等宽挑坎或窄缝挑坎后,将经历紧密段、扩散段与破碎段三个发展阶段.在挑流水舌的运动过程中,等宽挑坎的挑流水舌将从最初底部近似水平、顶部下凹的下凹形逐渐演变为底部近似水平、顶部中间逐渐凸起的中凸形,