基于扭曲鼻坎调整射流方向的水力模拟试验研究

基于扭曲鼻坎调整射流方向的水力模拟试验研究

1鼻坎扭转角度变化对下游河道影响的试验研究扭曲鼻板是一种新型的液体收集消理工具。许多科学家对其进行了模型试验和数值模拟研究，但对鼻板旋转角度变化与液体收集因素之间的关系研究较少。本文结合某拟建水库泄洪洞工程实例,采用物理模拟方法,研究了原设计方案挑流消能特性,提出了基于扭曲鼻坎的优化方案,并借助模型试验探索了鼻坎体型变化对挑流要素的影响以及下游流态的响应关系。2工程概论和研究方法2.1挑流鼻坎某抽水蓄能电站下水库主要由拦河坝、溢洪道和泄洪放空洞组成。泄洪放空洞全长303.63m,进水口采用岸塔式单向进水,进口底板高程为1020m,纵坡为1%,末端为反弧挑流鼻坎。隧洞断面为城门洞型式,洞宽6m,洞出口处底板高程为1017.68m;挑流段为连续式微扩散消能工,总长度25m,在洞口外7m处开始扩散,扩散段长18m,至挑流鼻坎末端宽度为9m;反弧半径35m,挑射角25°,末端挑坎高程为1020.89m,比进口底板高0.89m,属低落差明流泄洪洞。泄洪放空洞纵剖面形式如图1所示,挑流段平面布置如图2所示,泄洪放空洞下游河道如图3所示。2.2模型设计及结果由于该泄洪洞末端挑流消能工轴线与下游河道斜交,因此泄洪期间挑流消能效果及下游河道安全需引起注意;另外该泄洪建筑物为低落差明流泄洪洞,蓄、泄过程中的洞内泄流安全也不可忽视。为此采用物理模拟的方法,利用正态水工模型试验探讨研究这些问题,提出解决方法。本文按照《水电水利工程模型试验规程》进行模型设计,主要研究不同方案下泄洪放空洞挑流消能效果、下游流态及边岸冲刷情况。满足重力相似准则,并考虑紊动阻力相似和床沙起动相似的要求,模型主要控制比尺如表1所列。3存在问题和解决方法3.1合成边岸因水出现涌浪入果原设计方案挑坎中心线与洞轴线一致,但与下游河道右岸斜交。通过试验发现,出挑流鼻坎后,射流水股直冲右岸防护堤,形成的涌浪爬越右岸防护堤堤顶,淹没堤后业主营地。另外水舌跌落后引起水面剧烈波动,一方面水流旋滚形成水垫塘;一方面左右两侧产生大范围回流区,特别是贴靠右岸防护堤的回流流速高达3~5m/s,形成对防护堤的边岸淘刷,不利于防护堤的安全。由于鼻坎较高,蓄、泄过程中洞内水跃的跃后水深较大,形成短时间闷洞现象。3.2挑流段扭转鼻坎的修正试验观察到由于挑射水流方向不适,引起下游流态恶劣、紊乱;因此必须从调整出射水流方向出发,将挑流段轴线向左侧偏离。基于上述考虑将挑流段修改成向左侧偏转一定角度的扭曲鼻坎,同时考虑洞内水跃,适当降低鼻坎高程。通过几种扭曲鼻坎的比较,探索挑流鼻坎扭转角度、体型与挑射水流左偏方向角、水舌挑距、右边岸涌浪回流的关系;目的是减轻右防护堤涌浪与边岸淘刷。主要研究了小转角扭面、大转角扭面、降低挑坎高程的大转角贴坡扭面三种扭曲鼻坎形式。3.2.1两侧边墙、直边墙小转角扭面方案是希望以较小干扰在挑流段整体不变基础上调整:左侧边墙按原设计不变,右侧边墙则从距放空洞出口16.5m处向左侧扭转5°,仍然为直边墙;挑流段进口宽6m,出口处宽7.58m;鼻坎剖面左侧高程为原设计高程1020.89m,右侧比左侧高1.5m,通过贴坡形成出口扭曲面如图4所示。3.2.2鼻坎剖面位置的设计为了调顺水舌出流方向,采用与河道走向一致的大转角扭面方案,该挑流段总长25m,平面布置和鼻坎剖面如图5所示。挑流段出口处宽度为8m,挑流段左、右侧均设计为圆弧边墙;在距放空洞出口8m内底板设置三角体,抬高右侧水流,平衡离心惯性力;放空洞轴线在距出口11m处开始向左侧扭转,转角32°;扭曲鼻坎左侧高程1020.50m,右侧比左侧高2m。3.2.3挑流段前坡面高为了进一步优化挑坎体型,提出降低挑坎高程的大转角贴坡扭面方案,平面布置和鼻坎剖面如图6所示。出泄洪洞进入挑流段的宽度为6m,底板高程为1017.68m;采用转角、贴坡、微扩散过渡,挑坎出口处宽度为8m;放空洞轴线在距出口11m处开始向左侧转,转角为32°。挑流段右侧导墙为圆弧边墙,左侧导墙分为三段:洞出口至A点为直线段,A~B之间为圆弧段,B点至鼻坎为直线段。在挑流段右侧设一贴坡,用以抬高右侧水流,平衡离心惯性力;右侧贴坡起始位置在放空洞右侧出口处,终止位置为挑流鼻坎末端FG,F点高程为1018m,G点高程为1020m。挑流鼻坎末端左侧也有一贴坡,贴坡终止断面D、E两点高程均为1019.3m,贴坡起始断面B、C两点高程均为1017.89m,鼻坎水平段长5.90m;挑流段扭曲面设计主要用于平顺射流,让水舌尽量远离挑流鼻坎。各个方案主要参数如表2所列。4试验结果和分析4.1试验结果原设计挑流鼻坎轴线与河道斜交,引起射流水股直冲右岸防护堤,形成强烈的涌浪爬坡和边岸回流冲刷;在采用扭曲鼻坎后,总体看挑流消能效果很好,同时下游河道流态得到极大改善:涌浪明显减弱、壅高的洪水位降低、回流衰减、边岸淘刷大大减少,达到了优化挑流消能工的目的,图7给出了试验中不同鼻坎条件的挑流状况与下游河道流态。采用降低挑坎高程的大转角贴坡方案不仅可以改善下游河道流态,同时还可以有效解决蓄、泄过程中洞内水跃闷洞问题,作为工程推荐方案。4.2不同扭曲鼻鼓和偏离流的配置4.2.1挑坎高程和挑坎段出的水舌即改前周由于挑流鼻坎在平面向左的转角形成扭曲鼻坎(见图4~图6),故挑坎左侧高程均低于右侧。在挑坎段离心惯性力作用下,挑射水流左侧射程比右侧短,形成纵向拉长的入射区;因此挑坎轴线并非就是挑射水流方向。随着挑坎转角增大,挑流水舌向左侧偏转角度也相应增大,入射区位置逐渐向左侧移动。挑流水舌偏转角除与挑坎转角有关外,挑坎高程及左、右两侧高程差也有一定影响。离心惯性力使挑坎处形成较强烈的水面横比降,挑出水舌厚度左侧小于右侧;故落入纵向入射区的水流左侧较少而右侧较多;如果将水舌入水点概化为纵向入射区的中点,扭曲鼻坎左、右两侧高程直接影响水舌左、右两侧的射程。挑坎左、右两侧高程差影响挑坎处的水面横比降。用θ表示扭曲鼻坎转角,α表示挑流水舌中心线偏离洞轴线的角度;不同扭曲鼻坎时二者间的关系如图8所示。挑坎高程较高时(1021.5m)挑角较大,α受θ的影响也较大;挑坎高程较低时(1019.65m)挑角较小,惯性作用弱,挑距减小,θ对α的影响也降低;低挑坎与高挑坎相比,水舌中心线左偏角度最大减小12°。4.2.2挑坎转角和鼻坎扭曲特性扭曲鼻坎形成弯道扭面使得在离心惯性力作用下,挑射水流左侧射程比右侧短,形成水舌纵向入射区(见图9)。试验表明,水舌的纵向入射区长度ΔL(水舌左、右侧射程的差值)和平均挑距L0(左、右侧射程平均值)均与水流强度、扭曲鼻坎转角和体型有关。以ΔZ表示扭曲鼻坎左、右两侧的高程差,Z0表示扭曲鼻坎平均高程,ΔZ/Z0反映扭曲鼻坎的综合特征。研究分析可知随着挑坎转角θ变化,水舌挑距和纵向入射区长度也相应改变;同时水流强度越大,水舌挑距也就越长(见图10)。另外,挑坎转角和鼻坎的扭曲特性也对挑流水舌的形体特征有关;随转角增大、鼻坎扭曲程度增加,左侧射程小、右侧射程大的趋势更加明显;经分析纵向入射区相对长度ΔL/L0和转角θ之间的关系如图11所示。由图11可知,随着挑坎转角增加,相对长度也相应增加;同时,鼻坎相对扭曲程度ΔZ/Z0也对相对长度有影响,扭曲程度ΔZ/Z0越大相对长度越大。另外,水流强度影响鼻坎处的离心惯性力,从而影响入射区长度;所以同样鼻坎扭曲程度时,校核洪水位条件下的入射区相对长度要比设计洪水位大许多。4.3不同扭曲鼻板和下游流场的反应关系4.3.1不同鼻坎下游走向对比分析采用扭曲鼻坎调整射流水股特性,是改善下游河道恶劣流态的基本正确途径;但不同的鼻坎转角与扭曲特性对水舌的影响均不相同,下游河道流态响应、改善的程度也各有差异。原设计方案和各修改优化方案的试验特征数据如表3所列,设计洪水位时,不同鼻坎下游河道主流走向对比如图12所示。为了解决蓄泄过程中,泄洪洞内产生水跃和闷顶问题,在维持32°大转角扭曲鼻坎体型基础上,适当降低挑坎高程(1019.65m),此优化方案因转角与前述大转角扭曲鼻坎方案相同,下游河道流态、下游主流走向也与之基本相同。由于鼻坎处挑角减小引起水舌初始动量的改变,挑流要素如偏转角度、挑距、纵向入射区长度还是有所差异;但降低挑坎高程,降低了泄洪洞末端的控制水深,有效降低了洞内水跃的跃后水深,保证了蓄、泄过程中始终保持规范要求的洞顶净空余幅。同时解决了下游河道右岸防护堤的安全和洞内水跃闷顶问题,可作为最终方案。4.3.2挑坎高程左右出流动量挑坎转角为0度时,水舌直接顶冲右岸,涌浪与相应水位最高,随着挑坎左偏转角θ的增大,右岸涌浪呈同步响应、迅速衰竭;由于出流顺畅,右岸洪水位也不断下降;另外挑坎高程左右出流动量,也是影响右岸涌浪水位的主要因素(见图13),降低鼻坎高程也会使右岸涌浪洪水位大大降低。泄洪洞下游右边岸的回流与淘刷强度对挑流水舌方向关系密切,因此对挑流鼻坎变化有非常敏感的反应。挑坎转角为0度时,右边岸回流十分强劲,堤岸淘刷最深;随扭曲鼻坎左偏转角θ的增大,右边岸回流流速不断减小,边岸淘刷持续衰减降低;这种响应关系可以从图14中不同鼻坎对应的右边岸冲刷后河底高程对比中可以看