阶梯溢流坝消能影响因素分析

阶梯溢流坝消能影响因素分析

1阶梯溢流坝面流坝消能率影响因素此外，水库的溢流功能包括排水和能源消耗，从而降低下游能源消耗的工作量，降低项目成本。因此很有推广的价值。从20世纪70年代开始,人们已经对其展开了试验研究。其中,影响消能率的因素,如单宽流量、坝坡、阶梯的尺寸和个数等是研究的重点之一。例如,Stephenson的研究表明,当阶梯上的水深约为临界水深的1/3时,能量的消耗会增大,因此阶梯的尺寸可根据临界水深来选择。Peyras的试验结果表明消能率随着坝坡的变缓而增大。Christodoulou指出阶梯溢流坝的能量损失主要取决于临界水深hc,与阶梯高度h之比hc/h和阶梯的个数N。Rice等人的模型试验研究表明阶梯溢流坝的能量损失随坝坡面长度的增大而增大。Yildiz的研究表明,当坡角小于51.3°时,能量的消散随阶梯高度的增大而增大;但当坡角达到60°时,阶梯高度对消能率几乎没有影响。当阶梯高度较小时,坡度变陡,消能率减小;但对于较大的阶梯高度,坡度对消能率的影响不显著。Pegram等人通过模型试验研究得出消能率只与阶梯上的临界水深有关而与阶梯高度无关的结论。蒋晓光通过对二滩阶梯式过水围堰的模型试验与NewMonksville大坝的试验结果对比得出小的阶梯高度适合小的单宽流量,大的阶梯高度适合较大的单宽流量的结论。除此之外,许多研究表明消能率随单宽流量的增大而降低。以上这些研究成果在某些方面没有得到一致的结论,如阶梯尺寸对消能率的影响等。为了更好地发挥阶梯溢流坝的优势,寻求提高阶梯溢流坝消能率的措施,有必要对阶梯溢流坝消能率的各种影响因素进行更深入的研究探讨,并分析其消能机理。前人对阶梯溢流坝的研究都建立在模型试验的基础之上,而模型试验与数值模拟相比,后者具有更省时省力的优点,因此利用数值模拟研究可以更全面快捷地了解阶梯溢流坝面流场的特性。如果能够用数值模拟来代替试验研究,将发挥巨大的经济效益。本文在对阶梯溢流坝面流场进行紊流数值模拟研究的基础上,采用数值模拟方法对阶梯溢流坝消能率的一些影响因素,如单宽流量、坝坡、阶梯尺寸和反弧段等进行分析研究,并且结合溢流坝水流的紊动特性进行消能机理分析。为提高阶梯溢流坝的消能率,尤其是大流量时的消能率提供理论依据,也为阶梯溢流坝的研究由模型试验向数值模拟发展奠定基础。本文采用k-ε双方程紊流模型,分别引入适用于分层两相流的流体体积分数(VOF)模型求解曲线自由水面和非结构网格剖分计算区域,实现了带有复杂曲线自由水面的阶梯溢流坝流场的成功模拟,具体计算方法及试验验证见文献。消能率η的计算采用应用最广泛的消能率计算公式:η=ΔEE1×100%=E1−E2E1×100%(1)η=ΔEE1×100%=E1-E2E1×100%(1)式中,上、下游以水头表示的总能量E1和E2分别式(2)和式(3)计算:E1=Z1+H1+α1v212g(2)E2=H2+α2v222g(3)E1=Ζ1+Η1+α1v122g(2)E2=Η2+α2v222g(3)式中,Z1为上游库底相对于下游底部的高度。H1和H2分别为上、下游水深;v1和v2为上游入口和下游出口的断面平均速度;α1、α2为上游库区和下游出口的流速系数,由于入口和出口的流速分布都较均匀,因此α1、α2都取1。2流量对整合率的影响为了研究单宽流量对坝面流场的影响,特别是对消能率的影响,设计一个高为50m、坝坡为1∶0.75的阶梯溢流坝,在不同的单宽流量时进行计算研究。溢流坝顶采用标准的WES堰面曲线,设计堰顶水头为8m,堰面曲线方程为,y=O.085378x1.85,堰面曲线由三段相切的圆弧与上游垂直坝面相连。坝面共设39个阶梯,其中6个过渡阶梯,33个均匀阶梯,其长×高=0.75×1m。阶梯末由反弧半径为21m的反弧段和下游水平段相接,见图1。分别用五种单宽流量q(10、20、30、50、70m3/s·m)对坝面流场进行紊流数值模拟。每种流量时的入口水深H1和断面平均流速v1为已知条件,由数值计算得到的出口水深H2和断面平均流速v2及消能率η的计算都列于表1中。由表中数据可知,阶梯溢流坝的消能率随坝面单宽流量的增大而减小,当单宽流量为10m3/s·m时,消能率可达到71.11%;而当流量增大到70m3/s·m时,消能率就已减小到17.52%。图2绘出了消能率η随单宽流量q的变化曲线,从曲线可明显看出消能率随流量的增大而减小,这也是许多研究者通过试验得到的结论。η—q关系曲线不是直线,是一条斜率逐渐减小的曲线,即消能率并不是随q的增大而线性减小,而是随q的增大,消能率的减小速度变慢。对于紊流来说,紊动动能k和紊动耗散率ε反映流场的能量和能量损失的两个重要因素,因此绘出不同流量时两者的等值线图如图3和图4。从图3可看出,紊动动能k随着流量的增大而显著增大。当流量增大时,流体的动能增大,即速度增大,此时脉动速度也随之增大,因而紊动动能增大。而从图4可知,紊动耗散率虽然也随流量的增大而增大,但增加幅度远没有紊动动能的大。流量由10m3/s·m增大到50m3/s·m后,紊动动能最大值由12m2/s2增大到30m2/s2,增大了一倍多;而紊动耗散率最大值由300m2/s3增大到400m2/s3,只增加了1/3倍。紊动耗散率表示单位时间紊动动能的耗散量,流量增大,紊动动能随之迅速增大,但紊动耗散率却没有呈相应比例的增大,这是消能率随单宽流量增大而降低的根本原因。由计算结果可知,当单宽流量增大后,阶梯水平面上的压力最大值增大,阶梯立面上端的负压区和负压值也略有增大,这就使坝面更易产生空蚀破坏,因此在大单宽流量时必须设法进行人工掺气,以减小坝面负压值。3阶梯溢流坝的计算为了研究坝坡i对阶梯溢流坝面流场的影响,分别设计1∶0.7、1∶0.75、1∶0.8和1∶1四种坡度的阶梯溢流坝。为了消除反弧段与坝面的切点位置的不同而产生的影响,在坝趾处不设反弧段。堰面曲线和均匀阶梯的高度同图1。共设51个阶梯,其中11个过渡阶梯,41个均匀阶梯,阶梯高度为1m,水平长度分别为0.7、0.75、0.8和1m,对应于四种坝坡。对这四种坝型在单宽流量q=50m3/s·m下进行计算。由四种坡度的阶梯溢流坝的上游水深H1和断面平均流速v1和数值模拟得到的下游水深H2和断面平均流速v2以及消能率的计算列于表2中。由表中数值可知,坝坡越缓,阶梯的长高比越大,阶梯的消能率就越高。消能率η与坝坡的倒数1/i(阶梯的长高比)的关系曲线绘于图5中,由图可见,阶梯溢流坝的消能率随坝坡的变缓而近似线性增大。根据此结果可知,在缓坡的岸边溢洪道,土石坝上采用阶梯式消能可以获得较高的消能率。但坝坡变缓后阶梯立面上的负压值有所增大,使坝面发生空蚀的可能性增大。4阶梯尺寸对坝面消能率的影响为了探索改变阶梯尺寸是否能够提高阶梯溢流坝的消能率的问题,结合图1中均匀阶梯高度为1m的坝型,另设计四种阶梯尺寸来进行研究。溢流坝的堰面曲线、反弧段和坝坡都与图1相同,只是改变均匀阶梯的尺寸,均匀阶梯的高度分别为1、1.5、2.0、2.5和3m,阶梯相应的水平长度分别为0.75、1.125、1.5、1.875和2.25m。对应于不同尺寸的均匀阶梯,设置若干个过渡阶梯与堰顶曲线相接。对这5种不同阶梯尺寸的阶梯溢流坝分别在q=20、30、50和70m3/s·m的单宽流量下进行计算,以探求阶梯尺寸改变对坝面消能率的影响。由已知上游水深H1和断面平均流速v1和数值模拟得到的下游水深H2和断面平均流速v2求出各种工况的消能率列于表3中。由表中数值可知,阶梯尺寸对消能率的影响有一定的规律,但此规律随单宽流量的不同而不同。为了更清楚地看出消能率随阶梯尺寸的变化,根据表3中数据绘出消能率η随阶梯高度h与坝高H之比h/H变化的曲线见图6。图中有单宽流量为20、30、50、70m3/s·m四条曲线。几条曲线不是递增或递减的曲线,而是上下波动的曲线。表明消能率既不是随h/H的增大而增大,也不是随h/H的增大而减小。当流量较小,例如q=20或30m3/s·m时,阶梯尺寸对消能率的影响程度较明显。消能率与h/H的关系曲线呈一个向下凹的曲线,即对某一个h/H值消能率最小,h/H再减小或增大,消能率都升高。单宽流量为20和30m3/s·m时,最大和最小消能率值之差分别为9.9%和10.9%。当单宽流量较大时,例如q=50或70m3/s·m,h/H对消能率的影响不显著,最大和最小消能率相差仅为3%和3.2%。同时,消能率随h/H而变化的规律也发生变化,当h/H较小时,消能率随h/H的增大而稍有升高;但当h/H达到某个值时,消能率就不再随h/H的增大而增大了。5紊动能耗散率除了上述几个影响阶梯溢流坝消能率的因素外,在计算过程中还发现反弧段的设置与否也是影响阶梯溢流坝消能率的较重要因素。研究单宽流量对消能率的影响时在坝趾处设有半径R=21m的反弧段,但研究坝坡的影响时未设反弧段,因此表2中坝坡为1∶0.75的溢流坝与表1中单宽流量为50m3/s·m的坝体除了反弧段的设置与否外,两者的均匀阶梯高度、坝坡和单宽流量等都相同,将两者进行对比就可看出反弧段对消能率的影响。有无反弧段两种型式的溢流坝坝趾附近流场的紊动动能k的等值线绘于图7中。由于反弧段上的水流趋近平稳,水流紊动减弱,其上的紊动动能值较小,约为6～8m2/s2。只有反弧段开始处因受阶梯的影响,紊动动能值较大。当不设反弧段时,紊动动能在水平段上出现一个最大值,约为35m2/s2,并且影响到最末四个阶梯上的紊动动能值。在水平段上,直到距离最后一个阶梯十几米后,紊动动能值才慢慢减小,水流趋于稳定。由此可知,不设反弧段时坝趾处的水流紊动很强烈,并且会影响到一个较大的范围。图8绘出紊动耗散率ε的等值线图。由图8(a)可知,在反弧段与阶梯相连处,紊动耗散率较大,之后迅速减小,反弧段中部和尾部的紊动耗散率都已相当小。由图8(b)可看出,不设反弧段时,在水平段约10m的范围内,靠近壁面处都有较高的紊动耗散率值,之后才慢慢变小。水平段上的ε最大值达到200m2/s3,而反弧段中部壁面处的ε值仅有30m2/s3。可见,不设反弧段时,在水平段上的紊动耗散率要比反弧段上大得多,因此可以消耗更多的能量。由表1(q=50m3/s·m)和表2(i=1∶0.75)中两种型式的溢流坝的消能率分别为30.28%和42.8%可知,不设反弧段时,阶梯溢流坝的消能率要大得多。一方面是由于不设反弧段,阶梯一直延伸到坝趾,阶梯的数目增多,则消耗的能量增多;另一方面,不设反弧段时,水平段上的水流紊动强烈,紊动耗散率较大,因此可以消耗更多的能量。但是,不设反弧段也有不利的方面,那就是水平段上的压力比设反弧段时要大得多,这对底板的抗压能力要求更高。此外,不设反弧段,水流就很不平顺,这样空蚀的可能性增大。总之,消能和水流平顺是两个相矛盾的方面,要想耗散更多的能量,就必须使水流紊动动能和紊动耗散率增大;而为了保证坝面不发生空蚀破坏,又要求水流尽量平顺。实际工程中可以在满足坝面不发生空蚀,并且底板的抗压、抗冲击能力足够强的前提下,选择不设反弧段,阶梯直接与水平段相连的坝面型式,这样可以提高消能率。6阶梯尺寸和反弧段坝面单宽流量是影响阶梯溢流坝消能率的一个重要因素。当单宽流量增大后,坝面的消能率明显降低。这主要是因为流量增大后,紊动动能的增加远比紊动耗散率增加多,致使坝面消能率下降,这就要设法采用一些附加的结构以增大紊动耗散率,从而提高消能率。另外,当单宽流量增大后,坝面的负压略有增大,这也是大单宽流量下采用阶梯溢流须注意的问题。阶梯溢流坝的消能率随着坝坡的变缓而提高。这对缓坡溢洪道和土石坝采用阶梯消能有较大的意义。阶梯尺寸对消能率的影响有一定规律。当流量较大时,阶梯高度与坝高之比h/H对消能率的影响较小,当h/H较小时,消能率随阶梯尺寸的增大而稍有增大,但当h/H增大到一定值后,消能率随阶梯尺寸的变化很小。当流量较小时,h/H对消能率的影响较大,当h/H为某一个值时消能率最小,阶梯尺寸再增大或减小消能率都增大。设计时,应结合单宽流量的大小适当选用合适的阶梯尺寸。反弧段的设置与否对消能率大小有较大的影响。不设反弧段时,最后几个阶梯和水平段上的紊动耗散率都很大,因此消能率比设反弧段时要大得多,设计时可以在坝