侧墙掺气坎设计

侧墙掺气坎设计

0侧墙掺气坎对侧墙减蚀效果的影响为了减少高速排水建筑物的侵蚀和破坏，目前的主要措施是减少混合天然气。一般的掺气设施均采用底部掺气坎,即从泄水道底部进气。但底部掺气扩散到水流全断面需要相当长的一段距离,在这段距离内,由于未充分掺气,侧墙容易存在局部清水区,进而容易出现空蚀破坏,如二滩水电站一号泄洪洞反弧段下游侧墙的空蚀破坏。文献对如何消除侧墙局部清水区进行了研究,结果表明,在反弧末端采用底部掺气坎的同时,选用适当的侧墙掺气坎(侧墙贴角或边墙突扩),能对侧墙起到很好的减蚀效果。但文献同时指出,当侧墙掺气坎尺寸较大,会出现反弧末端过坎射流落水点下游两侧水翅串顶的不利流态。其控制条件为底空腔和侧空腔的相对长度,当侧空腔长度大于底空腔长度时,较长的侧空腔就为跌落至底板的紊动水流提供了流动通道,会出现不利流态,反之,当侧空腔长度较小时,能形成较好的流态。可见,在采用侧墙掺气坎时,不论是从射流挟气量还是水流流态考虑,空腔长度的预测均是一个重要的研究内容。关于空腔长度的研究,目前,人们主要研究的是底空腔长度的预测,侧空腔长度的研究成果还很少有报道。底空腔长度的估算方法,大致有以下几类:第一类是建立在抛射体理论或水流的一维运动方程基础上,并经过适当简化处理而得到的半经验半理论公式:第二类是根据射流下缘液体质点的运动方程,考虑空腔负压,出射角修正等因素,经适当简化处理而得到的空腔长度的计算方法。第三类是数值模拟方法。然而,研究底空腔长度的方法难以套用到侧空腔长度的研究上,其主要原因在于影响底空腔长度的主要因素是重力作用,而侧空腔长度受重力作用影响很小。除了来流水力条件之外,影响侧空腔长度的主要因素是什么,本文采用模型试验和紊流数值模拟对此进行了初步探讨。1模型强设计及结果分析试验模型按照二滩水电站大型龙抬头明流泄洪洞的体型尺寸进行设计。该泄洪洞设计最大下泄流量为3800m3/s,洞身横断面型式为城门洞形,洞身原型典型断面尺寸为13.0m×13.5m(宽×高),洞身全长约924m,全洞沿程设置了5道底部进气的掺气坎:1号掺气坎(反弧段前)的形式为小挑坎+掺气槽;2号掺气坎(反弧末端)及洞身直线段上其他3道掺气坎的形式均为小挑坎+跌坎。模型按重力相似准则设计,比尺1∶30,模型模拟范围为洞身进口至直线段第3号掺气坎下游处,试验流量为0.756m3/s(对应的原型流量为3725m3/s),该流量时,模型反弧末端掺气坎处流速为7.12m/s,弗劳德数为4.6,雷诺数为1.75×106,韦伯数为1.68×105。为了分析侧墙掺气坎形成的侧空腔长度的变化规律,对反弧末端掺气坎采用侧墙贴角及底部跌坎的组合方案,见图1。试验测试了3种组合掺气坎的空腔长度,各方案体型尺寸及测试结果见表1。试验结果表明,侧空腔长度随侧墙贴角尺寸增加而增大。当侧墙贴角尺寸较小,形成的侧空腔长度小于底空腔长度时,流态较好(方案3);反之,当侧墙贴角尺寸较大,形成的侧空腔长度大于底空腔长度时,出现射流落水点下游两侧水翅上串的不利流态(方案1),见图2。从图2可以看出,此时侧空腔长度受落水点处水流上串的影响,观察到的侧空腔长度洞底附近较小,洞顶附近较大。2数值模拟分析模型试验结果表明,侧空腔长度随侧墙贴角体型尺寸的增加而增大。除此之外,值得思考的另一个问题是:侧空腔长度是否还受底部跌坎尺寸H的变化而变化,其影响规律如何?如果通过模型试验来研究该问题,为了保证反弧末端水力条件不变时变动底部跌坎尺寸H,需不断变动洞身直线段底板高程,模型制作工作量较大。因此,本文拟采用紊流数值模拟对此问题进行分析。已有的研究成果表明,k～ε双方程紊流模型是模拟强紊动水流的有效模型。对于本文所研究的泄水道明流,如不考虑掺气浓度分布,而仅考虑其流场水力特性,即可看着是有明显分界面的水气分层两相流,该类问题除了要考虑水气交界面的确定之外,其它与一般单流体模型的解决思路一致。本文的数值模拟采用Fluent商用计算软件,紊流模型采用k～ε模型,对水气界面的跟踪采用VOF方法。计算模型体型尺寸采用二滩泄洪洞原型尺寸,进口流量为3725m3/s。对反弧末端侧墙贴角及底部跌坎的组合掺气坎,共进行了五种体型方案的数值模拟(见表2),其中前三种方案的体型尺寸与模型试验的3种掺气坎完全一致。各体型方案空腔长度计算结果见表2,侧空腔形态见图3～图5,洞身纵轴线剖面动水压力分布见图6。3侧空腔长度影响因素分析3.1侧空腔长度t模型试验测试结果(表1)表明,方案1～方案3三种组合掺气坎的底部跌坎尺寸完全相同,仅侧墙贴角尺寸不同,在相同的来流条件时,底空腔长度较为接近(约为20m),但侧空腔长度变化范围很大。方案2侧坎收缩宽度W=0.24m,坡度i=1∶30,其侧空腔长度超过22m;方案3侧坎收缩宽度W=0.18m,坡度i=1∶40,对应的侧空腔长度仅约3.8m。这表明,侧空腔长度对侧墙掺气坎的体型尺寸非常敏感。随侧坎尺寸的增加,侧空腔长度迅速增大,这主要是由于在高速水流情况下,水流通过侧坎后是先向水流内部收缩,然后再自由扩散附壁,侧坎尺寸的微弱变化,会导致通过侧坎后水流运行方向的很大变化(见图3)。值得说明的是,方案1侧坎收缩W=0.30m,坡度i=1∶20,其侧空腔长度观测值大于24m,从测试数值来看,与方案2较为接近,这主要是由于方案1与方案2形成的侧空腔长度大于底空腔长度,射流跌入底板溅射后通过侧空腔沿壁面爬升串顶(见图2),此时试验测试的侧空腔长度是受溅射水流影响后的观测值。3.2侧空腔形态变化分析对比方案1～方案3的试验测试结果(表1)和计算结果(表2),可见空腔长度的数值模拟结果与试验观测结果基本一致,这表明采用紊流数学模型来计算分析侧坎空腔长度是可行的。数值模拟结果表明(表2),方案3～方案5三种组合掺气坎的侧墙贴角尺寸完全相同,仅底部跌坎尺寸不同,在相同的来流条件时,侧空腔长度变化仍很大。从侧空腔形态来看,方案3侧空腔形态较为平滑,从出口逐渐扩散至侧壁(见图4),而方案5的侧空腔前部较小,沿程逐渐变大,最后在底板落水点附近突然扩散附壁(见图5)。侧墙掺气坎的体型尺寸和来流条件完全相同,仅底部跌坎尺寸变化,其侧空腔长度和形态为何相差如此之大?笔者认为,其原因主要在于:通过底部跌坎和侧坎这种组合掺气坎的高速水流,四面凌空,决定其侧空腔长度和形态的主要因素为水流向两侧的扩散能力。而影响水流扩散能力大小的主要因素为水流内部的动水压力,当射流前方动水压力较大,即射流前方有一定阻力时,射流向两侧扩散的趋势才比较明显。对过坎水流而言,由于受空腔负压及洞顶余幅的影响,其空腔段动水压力较小,只有在射流跌落至底板时,压力骤升(见图6),对于底空腔上方的射流而言,落水点附近水流较大的动水压力即为射流前方的阻力。据此不难理解,随着底部跌坎高度增加,其底空腔长度也相应增加,射流落水点远,动水压力较大区靠后,因此,侧空腔长度也增加。可见,底部掺气坎的体型尺寸对侧空腔长度也有很重要的影响。4侧空腔长度大小通过模型试验和数值计算,对底部跌坎和侧墙贴角组合掺气坎空腔长度的初步研究表明:1.在采用底部跌坎和侧墙贴角组合掺气坎时,为了保证水流流态较好,应使侧空腔长度