水舌撞击尾水溅水分布的试验研究

水舌撞击尾水溅水分布的试验研究

1评价喷喷实验研究由于浪费率的数值模拟是研究洪水雾耗的重要技术问题之一，中国科学家对瀑布值模型进行了研究并建立了许多随机瀑布值模型[1.6]。上述模型若用于溅水区降雨强度的计算,还需要进行水舌入水喷溅的物理模型试验与原型观测验证。国外对于雾化与喷溅的实验研究主要分两类,一类是粒子的喷射及其与固壁间的相互作用[7~9],另一类是粒子与其它介质表面碰撞产生的溅射运动[10~13],但对于大量水滴的入水导致的激溅问题,鲜有相关的研究报道。相对而言,国内在该领域的研究已有较大的进展[14~17]。尽管如此,对于溅水引起的降雨强度空间分布,尚缺乏专门的试验与计算验证。同时,随机喷溅计算模型中还包含一个重要的假定,即随机喷射条件诸如出射粒径、出射角度、出射速度等随机变量,均符合伽玛函数分布,对此需进一步论证。本文通过物理模型试验,对掺气水舌入水激溅现象进行模拟,采用称重法得到溅水降雨强度的平面分布规律,并在此基础上,对随机溅水模型进行计算验证。2模型设计与实验过程2.1水舌挑距表面粗糙度为0试验结合双江口水电站洞式溢洪道水工模型,对出口下游的水舌入水激溅进行研究。其中挑坎体型分为两种:一种是水平等宽坎,宽度为35.55cm,挑角为0°,另一种是斜切扩散坎,左右两侧的扩散角分别为5.886°与7.986°,挑角分别为-0.029°与0.0157°,两者的底弧半径均为178cm;挑坎出口距离下游水面的高差1.6m,水舌挑距在3.7m~4.3m。在入水点下游,布置有雾化降雨测点(网格交叉点),具体布置参见图1。试验过程中,每个节点上均放置有集水盒,通过记录盒内集水重量、口径与采集时间,可得到各点处的降雨强度。2.2降雨强度纵向分布试验工况共8组,具体参数见表1。其中,工况1~4主要针对等宽挑坎,对下游溅水降雨强度的纵向分布进行测量;工况5~8则针对扩散水舌,对溅水降雨强度的平面分布进行测量。2.3水舌入水相对位置的测量试验的主要测试设备包括:电子称,最大量程2000g,精度0.01g;电子秒表,最长历时99h,精度0.01s;便携式毕托管,配有压差传感器与采集系统,最大流速量程10m/s;热球式电子风速仪,最小读数为0.01m/s,最大量程为30m/s;铝合金尺,最大长度6m,用于确定水舌入水的相对位置;圆形测试盒,直径7.3cm~7.9cm,高度3cm~4cm,测量前对每个测试盒进行编号、称重,并记录其内缘直径。试验的基本步骤如下:(1)通过控制上、下游水位得到稳定的水舌入水条件,采用压差毕托管得到挑坎出口的流速分布,实测确定水舌入水前缘的位置与形态,采用量水堰确定水舌的入水流量,记录集水平面相对于下游水面的高度,计算得到入水流速与入水角度。(2)在水舌入水形态与下游水位不变的条件下,自溅水区的下游远区边界开始,由远及近,逐点放置测试盒,同时记录每个测试盒的位置、编号与初始时间。(3)放置完成后,根据不同区域测试盒的集水强度,由强到弱逐一回收,同时记录测试盒的编号、终止时间与总重量。(4)根据每个测试盒的平面位置、净重、集水后重量、内缘直径、前后集水时间等因子,可以计算得到测试平面上各点的降雨强度值,并绘制出降雨强度等值线图。3分散试验的结果3.1扩散坎体型的影响研究表明,挑坎型式、流量以及水舌入水宽度等因素对下游溅水分布有明显的影响。图2为两种体型下的溅水降雨强度纵向分布。溢洪道出口挑坎采用扩散体型后,较之等宽坎体型,中心线上降雨强度均有所增大。图3为上述工况下,0+237cm与0+385cm桩号处的降雨强度横向分布,采用扩散坎体型后,溅水区的横向宽度增大,但基本符合正态分布。分析表明,采用扩散挑坎将增大水舌的入水宽度,使得溅水源区的横向范围扩大,同时各个源区的溅水相互叠加,使得溅水强度呈中间大两侧小的分布形态,基本符合正态分布,随着流量的增大,溅水强度与范围均有所增大。3.2试验结果分析文献中通过物理模型试验,指出溅水降雨强度的纵向分布应符合如下规律:其中:x为纵向距离(cm),mP为降雨强度峰值(mm/h),mL为溅水区纵向长度(cm),1C、a、b为经验常数。表2为工况1~4下溅水强度纵向分布试验结果。经拟合,上式中经验系数分别为1C=30,a=1,b=11。上述规律表明,随机溅水模型中采用相关的伽玛函数假定具有一定的合理性。3.3风场作用下的下球环境图4为工况5沿中心线距离水面0~1.0m高度范围的平均风速,鉴于室内基本无风,该风速场主要由水舌入水激溅所形成,观察表明溅水水滴在风场作用下会漂移得更远。图5为下游测试平面上溅水强度等值线分布图,在风场作用下降雨区由近及远逐渐被拉伸,在平面上呈三角形分布。由此可见,在对溅水现象的随机模拟中,风场对于水滴的拖曳作用不可忽略。4数值计算模型本文针对随机溅水模型中喷溅时均量的求解、喷射时间与空间的离散方法、以及复杂风速场的影响等问题进行了研究改进,并开发出数值计算模型。该模型通过调用通用RBF神经网络计算模块与关系矩阵,在每一个时间步长内,根据水滴的空间位置判别当地风速,然后再行求解动力学方程,很好地解决了复杂风场对飞行水滴的作用问题,上述计算体理论将另文阐述。在此基础上,针对试验工况5与工况8,进行水舌风作用下的溅水模拟计算。4.1水舌入射偏移角公式对于水滴出射条件采用如下随机假定:(1)水滴直径满足伽玛分布:(2)水滴出射角θ0服从如下伽玛分布:式中:系数c=2,系数d=tanθ,θ为出射角的重值,该值由水舌入射条件求得。(3)水滴出射偏移角φ满足正态分布:式中:μ与σ分别为偏移角重值与均方差。一般地,μ取水舌入水偏转角,σ=15o。(4)水滴初始抛射速度u:水滴出射速度u均采用式(2)所示的伽玛分布,并取系数a=4,λ=0.25u,u为u的重值,亦由水舌入射条件求得。4.2水舌风场密度及入射速率根据试验测量结果,水舌入水形态如图6,计算中将其入水前缘分为10段,每段长度均为0.175m,具体入射参数见表3。限于试验条件,无法获得完整的三维风场。计算中,水舌风场根据典型断面的实测风速,概化为正态分布其中:σ=0.4m,y为横向坐标,x为纵向距离,F(x)为中心线上实测平均风速。计算网格尺寸10cm;计算时间T=25s,计算步长dt=0.125s。4.3随机大积分布风场图7与图8为随机溅水模型计算成果与物理实验成果的对比。结果分析表明,采用合理的水滴谱与出射假定,随机溅水模型可以较好地模拟溅水现象。模型在计算中采用了概化的正态分布风场,其在横向分布上与实际风场不完全相符,计算结果略有偏差。对此,在实际工程应用中,应运用大型流体计算软件,求解全面的三维拖曳风场,提高模拟精度。5实验结果分析通过物理模型试验,针对不同水力条件下的溅水分布进行试验研究,并以此对随机溅水模型进行了改进与验证。试验通过采用称重法,得到了溅水降雨强度的平面分布数据。该方法真实可靠,且灵敏度较高,为今后从事相关的研究积累了经验与手段。试验结果分析表明,在相同流量条件下,采用扩散型挑坎将显著增大下游溅水规模;各种工况下,溅水强度的纵向