收縮比對(duì)非對(duì)稱窄縫挑坎水力特性的影響

謝 鑫, 刁 明 軍, 楊 思 遠(yuǎn)

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610065)

0 引 言

窄縫消能工具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn),通過側(cè)墻偏轉(zhuǎn)強(qiáng)迫水流橫向收縮縱向拉伸形成水舌向下游挑射,擴(kuò)大了下泄水流的入水面積,減小了下泄水流的單位入水能量,從而減輕了下泄水流對(duì)下游河床的沖刷,適用于修建在深山峽谷的水利設(shè)施的泄洪消能[1-5]。

在實(shí)際工程中,為了適應(yīng)下游地形,常常將窄縫挑坎設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的形式,控制水舌入水位置,避免水舌對(duì)岸坡的沖擊,實(shí)現(xiàn)下游消能防沖的目的,比如西班牙阿爾門德拉大壩和國(guó)內(nèi)的阿塔薩爾、龍羊峽、天生橋一級(jí)、東風(fēng)等水電站[6]。

倪漢根和劉韓生通過試驗(yàn),比較了6種非對(duì)稱的窄縫體型在8種工況下對(duì)泄槽底板的沖擊壓強(qiáng),實(shí)測(cè)結(jié)果表明:非對(duì)稱性越強(qiáng),沖擊壓強(qiáng)越小[7]。在高升橋三表孔窄縫挑流消能的水工模型試驗(yàn)中,因?yàn)檫叾绽@流效應(yīng),在邊表孔對(duì)稱窄縫內(nèi)形成了兩股強(qiáng)度不同的的沖擊波。宋昉和馬飛通過將窄縫設(shè)計(jì)成不對(duì)稱的形式,平衡了兩側(cè)沖擊波強(qiáng)度,避免了沖擊波水股擊砸岸坡[8]。曾紅和余玉亮在雙河口水電站右槽末端窄縫采取不對(duì)稱收縮,減輕了下泄水流對(duì)右岸坡的沖刷下切[9]。彭引和田忠等通過模型試驗(yàn),對(duì)偏轉(zhuǎn)角為0～10°的非對(duì)稱窄縫挑坎的水面線、底板時(shí)均壓強(qiáng)、壁面壓強(qiáng)、挑距及水舌入水范圍展開研究,試驗(yàn)結(jié)果表明:弗勞德數(shù)Fr對(duì)水面線、壁面壓強(qiáng)和挑距有較大影響[10]。劉韓生和倪漢根基于水流的輻射特性,結(jié)合沖擊波簡(jiǎn)化式,提出了計(jì)算非對(duì)稱窄縫挑坎邊墻水面線的公式,進(jìn)而建立了非對(duì)稱窄縫挑坎的體型設(shè)計(jì)的理論計(jì)算方式。

關(guān)于非對(duì)稱窄縫挑坎的體型設(shè)計(jì),目前雖然有一些理論推導(dǎo),但都是建立在理想情況下的,且適用范圍有限。因此在實(shí)際工程中,往往先根據(jù)以往成功的工程經(jīng)驗(yàn)給出初始設(shè)計(jì)方案,然后通過模型試驗(yàn)的效果對(duì)體型進(jìn)行修改,最終得到滿足要求的非對(duì)稱窄縫挑坎體型的設(shè)計(jì)方案,可見模型試驗(yàn)對(duì)于非對(duì)稱窄縫挑坎設(shè)計(jì)運(yùn)用的重要性。通過模型試驗(yàn),研究了不同收縮比對(duì)非對(duì)稱窄縫挑坎的邊墻水面線和底板中線上的壓強(qiáng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D見圖1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕捎袡C(jī)玻璃制成,依次由水箱、壓坡段、明渠段和窄縫段組成。上游水箱內(nèi)最高水位可達(dá)1.7 m,壓坡段長(zhǎng)1.0 m,寬0.3 m,水平明渠段長(zhǎng)1.5 m,寬0.3 m。窄縫段左側(cè)邊墻保持不變,右側(cè)邊墻向左偏轉(zhuǎn)形成單側(cè)偏轉(zhuǎn)的非對(duì)稱窄縫形式。窄縫段長(zhǎng)度為0.9 m,出口寬度有6.0 cm,7.5 cm,9.0 cm三個(gè)梯度,對(duì)應(yīng)收縮比η=0.20,0.25,0.30。試驗(yàn)過程中,通過改變壓坡段開度控制窄縫挑坎的來流水深h,試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況表

2 收縮比對(duì)邊墻水面線影響的分析

將測(cè)點(diǎn)位置距窄縫起始斷面的距離設(shè)為X,研究中均使用X為橫坐標(biāo)作圖。

圖2、圖3和圖4分別為弗勞德數(shù)Fr=7.8,Fr=6.6,Fr=5.4情況下對(duì)應(yīng)的挑流段左右邊墻的水面線。右邊墻向左偏轉(zhuǎn),急流具有很大的慣性,遇到邊墻轉(zhuǎn)向的阻礙便形成了急流沖擊波現(xiàn)象[11],沖擊波波峰以下的區(qū)域出現(xiàn)水面壅高。對(duì)于右邊墻,水面線在收縮段開始部分沿墻上升較快,從X=27 cm處開始水面線上升速率減小,在接近收縮段出口處,水面線上升率又增大。右邊墻的出口水深隨著收縮比η增大而減小。左邊墻入口水深為來流水深h,其入口水深不受收縮比變化的影響。在收縮段起始部分,左邊墻沿程水深就等于來流水深h,水面線幾乎與窄縫底板平行,這是因?yàn)樵搮^(qū)域位于沖擊波波峰上游,右邊墻的偏轉(zhuǎn)對(duì)這部分水流的影響較小。進(jìn)入收縮段中部,從X=63 cm處開始左邊墻水面線陡然上升,這是因?yàn)榇藭r(shí)該區(qū)域處于沖擊波波峰下游,水面出現(xiàn)明顯壅高。隨著收縮比η增大,左邊墻的出口水深減小。

(a)左邊墻 (b)右邊墻

(a)左邊墻 (b)右邊墻

(a)左邊墻 (b)右邊墻

3 壓強(qiáng)特性分析

試驗(yàn)對(duì)窄縫底板中線上的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)展開了測(cè)量和分析,窄縫底板的壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置(單位:cm)

3.1 底板時(shí)均壓強(qiáng)特性分析

窄縫底板時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布見圖6。時(shí)均壓強(qiáng)沿程先增加后減小。收縮段前部,壓強(qiáng)增大速率較小,進(jìn)入收縮段中部后,壓強(qiáng)增大速率提高,壓強(qiáng)沿程增大并在窄縫出口附近取得最大值,之后時(shí)均壓強(qiáng)迅速降低。這是因?yàn)檫厜κ?過流斷面減小,水面壅高,窄縫底板受到的重力和動(dòng)能作用增強(qiáng),于是底板中線上的時(shí)均壓強(qiáng)沿程增大。在窄縫出口附近,主流由邊墻擠壓轉(zhuǎn)為豎向擴(kuò)散,垂向流速增大,主流形成向斜上方飛射的水舌,流體對(duì)窄縫底板的沖擊減弱,底板的時(shí)均壓強(qiáng)迅速下降[12]。隨著收縮比η增大,底板中線上時(shí)均壓強(qiáng)的最大值減小,出口處的時(shí)均壓強(qiáng)也減小。

圖6 窄縫底板時(shí)均壓強(qiáng)沿程分布

3.2 底板脈動(dòng)壓強(qiáng)特性分析

窄縫底板典型測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)時(shí)程圖見圖7,測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)壓力圍繞時(shí)均值振蕩。筆者對(duì)3種不同收縮比情況下,窄縫底板中線上的的脈動(dòng)壓強(qiáng)的幅值、概率密度函數(shù)和頻率特性展開研究。

圖7 測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)時(shí)程圖(X=9 cm)

3.2.1 脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值特性

對(duì)于脈動(dòng)壓力,可以用其均方根值σ來衡量脈動(dòng)的劇烈程度[13]。不同收縮比對(duì)應(yīng)的窄縫底板中線上測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程分布見圖8。

(a)Fr=7.8

窄縫底板脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在收縮段出口附近達(dá)到峰值,然后迅速下降。分析其原因,是右邊墻形成的沖擊波波峰向下游移動(dòng),使沿程流體內(nèi)部動(dòng)量變化頻繁,紊動(dòng)加劇,故脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程增大。在收縮段出口附近,沖擊波波峰到達(dá)左邊墻,主流具有強(qiáng)烈的向上方運(yùn)動(dòng)的特性,窄縫底板流體的紊動(dòng)減弱,脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根減小。脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根的最大值隨著收縮比η的增大而減小。

3.2.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)概率密度函數(shù)

脈動(dòng)壓強(qiáng)是一種信號(hào),信號(hào)的參數(shù)一般用幅值和頻率來表示。而脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值的一個(gè)重要特性就是其概率密度分布。筆者將脈動(dòng)壓強(qiáng)幅值的的偏度系數(shù)Sk和峰度系數(shù)Ku與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的對(duì)應(yīng)系數(shù)進(jìn)行比較,從而對(duì)其概率密度分布進(jìn)行描述。

(1)

(2)

偏度系數(shù)Sk描述分布的對(duì)稱性,Sk=0時(shí),對(duì)稱分布;Sk>0時(shí),分布右偏;Sk<0時(shí),分布左偏,偏態(tài)系數(shù)越接近于0,分布的偏斜程度越小,對(duì)稱性越高。峰度系數(shù)Ku描述分布的尖峰和扁平程度,Ku=0時(shí),正態(tài)分布;Ku>0時(shí),分布曲線形態(tài)高瘦,數(shù)據(jù)分布較集中;Ku<0時(shí),分布曲線形態(tài)矮胖,數(shù)據(jù)分布較分散。一般來說,偏度系數(shù)Sk越接近0,峰度系數(shù)Ku越接近0,則數(shù)據(jù)的分布越接近標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

圖9和圖10分別為窄縫底板各測(cè)點(diǎn)的偏度系數(shù)分布和峰度系數(shù)分布,可以看出,偏度系數(shù)Sk和峰度系數(shù)Ku大多數(shù)在0左右波動(dòng),說明窄縫底板脈動(dòng)壓強(qiáng)的波動(dòng)整體上與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布比較接近。

圖9 偏度系數(shù)分布

圖10 峰度系數(shù)分布

4 結(jié) 語

筆者通過水工模型對(duì)單側(cè)偏轉(zhuǎn)的非對(duì)稱窄縫挑坎進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析了收縮比η對(duì)其水力特性的影響。通過研究,主要得到結(jié)論如下:

(1)非對(duì)稱窄縫挑坎左右邊墻的水面線總體都呈上升趨勢(shì),且出口水深都隨著收縮比η的增大而減小。在實(shí)際工程中,非對(duì)稱窄縫挑坎往往因?yàn)闆_擊波現(xiàn)象導(dǎo)致邊墻水面線急劇升高,為此需要將邊墻建造得比較高。

(2)非對(duì)稱窄縫挑坎底板中線的時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)均方根沿程分布趨勢(shì)相似,都呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),在窄縫出口附近取得最大值然后下降,且最大值隨著收縮比η的增大而減小。

(3)非對(duì)稱窄縫挑坎底板中線的脈動(dòng)壓強(qiáng)的波動(dòng)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布比較接近。