側墻摻氣坎設計

0側墻摻氣坎對側墻減蝕效果的影響為了減少高速排水建筑物的侵蝕和破壞，目前的主要措施是減少混合天然氣。一般的摻氣設施均采用底部摻氣坎,即從泄水道底部進氣。但底部摻氣擴散到水流全斷面需要相當長的一段距離,在這段距離內,由于未充分摻氣,側墻容易存在局部清水區,進而容易出現空蝕破壞,如二灘水電站一號泄洪洞反弧段下游側墻的空蝕破壞。文獻對如何消除側墻局部清水區進行了研究,結果表明,在反弧末端采用底部摻氣坎的同時,選用適當的側墻摻氣坎(側墻貼角或邊墻突擴),能對側墻起到很好的減蝕效果。但文獻同時指出,當側墻摻氣坎尺寸較大,會出現反弧末端過坎射流落水點下游兩側水翅串頂的不利流態。其控制條件為底空腔和側空腔的相對長度,當側空腔長度大于底空腔長度時,較長的側空腔就為跌落至底板的紊動水流提供了流動通道,會出現不利流態,反之,當側空腔長度較小時,能形成較好的流態。可見,在采用側墻摻氣坎時,不論是從射流挾氣量還是水流流態考慮,空腔長度的預測均是一個重要的研究內容。關于空腔長度的研究,目前,人們主要研究的是底空腔長度的預測,側空腔長度的研究成果還很少有報道。底空腔長度的估算方法,大致有以下幾類:第一類是建立在拋射體理論或水流的一維運動方程基礎上,并經過適當簡化處理而得到的半經驗半理論公式:第二類是根據射流下緣液體質點的運動方程,考慮空腔負壓,出射角修正等因素,經適當簡化處理而得到的空腔長度的計算方法。第三類是數值模擬方法。然而,研究底空腔長度的方法難以套用到側空腔長度的研究上,其主要原因在于影響底空腔長度的主要因素是重力作用,而側空腔長度受重力作用影響很小。除了來流水力條件之外,影響側空腔長度的主要因素是什么,本文采用模型試驗和紊流數值模擬對此進行了初步探討。1模型強設計及結果分析試驗模型按照二灘水電站大型龍抬頭明流泄洪洞的體型尺寸進行設計。該泄洪洞設計最大下泄流量為3800m3/s,洞身橫斷面型式為城門洞形,洞身原型典型斷面尺寸為13.0m×13.5m(寬×高),洞身全長約924m,全洞沿程設置了5道底部進氣的摻氣坎:1號摻氣坎(反弧段前)的形式為小挑坎+摻氣槽;2號摻氣坎(反弧末端)及洞身直線段上其他3道摻氣坎的形式均為小挑坎+跌坎。模型按重力相似準則設計,比尺1∶30,模型模擬范圍為洞身進口至直線段第3號摻氣坎下游處,試驗流量為0.756m3/s(對應的原型流量為3725m3/s),該流量時,模型反弧末端摻氣坎處流速為7.12m/s,弗勞德數為4.6,雷諾數為1.75×106,韋伯數為1.68×105。為了分析側墻摻氣坎形成的側空腔長度的變化規律,對反弧末端摻氣坎采用側墻貼角及底部跌坎的組合方案,見圖1。試驗測試了3種組合摻氣坎的空腔長度,各方案體型尺寸及測試結果見表1。試驗結果表明,側空腔長度隨側墻貼角尺寸增加而增大。當側墻貼角尺寸較小,形成的側空腔長度小于底空腔長度時,流態較好(方案3);反之,當側墻貼角尺寸較大,形成的側空腔長度大于底空腔長度時,出現射流落水點下游兩側水翅上串的不利流態(方案1),見圖2。從圖2可以看出,此時側空腔長度受落水點處水流上串的影響,觀察到的側空腔長度洞底附近較小,洞頂附近較大。2數值模擬分析模型試驗結果表明,側空腔長度隨側墻貼角體型尺寸的增加而增大。除此之外,值得思考的另一個問題是:側空腔長度是否還受底部跌坎尺寸H的變化而變化,其影響規律如何?如果通過模型試驗來研究該問題,為了保證反弧末端水力條件不變時變動底部跌坎尺寸H,需不斷變動洞身直線段底板高程,模型制作工作量較大。因此,本文擬采用紊流數值模擬對此問題進行分析。已有的研究成果表明,k～ε雙方程紊流模型是模擬強紊動水流的有效模型。對于本文所研究的泄水道明流,如不考慮摻氣濃度分布,而僅考慮其流場水力特性,即可看著是有明顯分界面的水氣分層兩相流,該類問題除了要考慮水氣交界面的確定之外,其它與一般單流體模型的解決思路一致。本文的數值模擬采用Fluent商用計算軟件,紊流模型采用k～ε模型,對水氣界面的跟蹤采用VOF方法。計算模型體型尺寸采用二灘泄洪洞原型尺寸,進口流量為3725m3/s。對反弧末端側墻貼角及底部跌坎的組合摻氣坎,共進行了五種體型方案的數值模擬(見表2),其中前三種方案的體型尺寸與模型試驗的3種摻氣坎完全一致。各體型方案空腔長度計算結果見表2,側空腔形態見圖3～圖5,洞身縱軸線剖面動水壓力分布見圖6。3側空腔長度影響因素分析3.1側空腔長度t模型試驗測試結果(表1)表明,方案1～方案3三種組合摻氣坎的底部跌坎尺寸完全相同,僅側墻貼角尺寸不同,在相同的來流條件時,底空腔長度較為接近(約為20m),但側空腔長度變化范圍很大。方案2側坎收縮寬度W=0.24m,坡度i=1∶30,其側空腔長度超過22m;方案3側坎收縮寬度W=0.18m,坡度i=1∶40,對應的側空腔長度僅約3.8m。這表明,側空腔長度對側墻摻氣坎的體型尺寸非常敏感。隨側坎尺寸的增加,側空腔長度迅速增大,這主要是由于在高速水流情況下,水流通過側坎后是先向水流內部收縮,然后再自由擴散附壁,側坎尺寸的微弱變化,會導致通過側坎后水流運行方向的很大變化(見圖3)。值得說明的是,方案1側坎收縮W=0.30m,坡度i=1∶20,其側空腔長度觀測值大于24m,從測試數值來看,與方案2較為接近,這主要是由于方案1與方案2形成的側空腔長度大于底空腔長度,射流跌入底板濺射后通過側空腔沿壁面爬升串頂(見圖2),此時試驗測試的側空腔長度是受濺射水流影響后的觀測值。3.2側空腔形態變化分析對比方案1～方案3的試驗測試結果(表1)和計算結果(表2),可見空腔長度的數值模擬結果與試驗觀測結果基本一致,這表明采用紊流數學模型來計算分析側坎空腔長度是可行的。數值模擬結果表明(表2),方案3～方案5三種組合摻氣坎的側墻貼角尺寸完全相同,僅底部跌坎尺寸不同,在相同的來流條件時,側空腔長度變化仍很大。從側空腔形態來看,方案3側空腔形態較為平滑,從出口逐漸擴散至側壁(見圖4),而方案5的側空腔前部較小,沿程逐漸變大,最后在底板落水點附近突然擴散附壁(見圖5)。側墻摻氣坎的體型尺寸和來流條件完全相同,僅底部跌坎尺寸變化,其側空腔長度和形態為何相差如此之大?筆者認為,其原因主要在于:通過底部跌坎和側坎這種組合摻氣坎的高速水流,四面凌空,決定其側空腔長度和形態的主要因素為水流向兩側的擴散能力。而影響水流擴散能力大小的主要因素為水流內部的動水壓力,當射流前方動水壓力較大,即射流前方有一定阻力時,射流向兩側擴散的趨勢才比較明顯。對過坎水流而言,由于受空腔負壓及洞頂余幅的影響,其空腔段動水壓力較小,只有在射流跌落至底板時,壓力驟升(見圖6),對于底空腔上方的射流而言,落水點附近水流較大的動水壓力即為射流前方的阻力。據此不難理解,隨著底部跌坎高度增加,其底空腔長度也相應增加,射流落水點遠,動水壓力較大區靠后,因此,側空腔長度也增加。可見,底部摻氣坎的體型尺寸對側空腔長度也有很重要的影響。4側空腔長度大小通過模型試驗和數值計算,對底部跌坎和側墻貼角組合摻氣坎空腔長度的初步研究表明:1.在采用底部跌坎和側墻貼角組合摻氣坎時,為了保證水流流態較好,應使側空腔長度