水利工程论文-湾塘水电站泄流雾化的数值计算.doc

水利工程论文湾塘水电站泄流雾化的数值计算摘要根据底流消能泄流雾化的机理，应用量纲分析方法，得到水雾雾源量的计算关系式在雾源为连续线源和任意风向的条件下，利用高斯扩散方程，研究了水雾在峡谷内扩散规律结合雾雨自动转换过程、碰并过程、雾滴的凝结和蒸发过程，得到雾源下游流场水雾浓度、温度、相对湿度和降水强度的分布对湾塘水电站底流消能雾化进行了数值计算，计算结果与原型观测数据基本一致。关键词底流消能雾化数值计算水电站采用不同的泄流消能方式，对水雾的产生机理、形态及雾量多寡，存在较大的差异。对于挑流消能工程，泄流雾化会造成以下危害厂房进水、断电、交通中断和边坡失稳。自20世纪70年代以来，国内一些专家学者对挑流雾化问题进行了广泛的研究，取得了丰硕的成果但对于底流消能工程，其泄流雾化问题很少研究。本文就湾塘水电站底流消能雾化的数计算作一探讨。1底流消能雾化的数学模型1洪水在下泄和消能过程中，由于水流与空气边界的相互作用，使得水流自由面失稳和水流紊动加剧2，进而部分水体以微小水滴的形式进入空气中，产生某种形式的雾源。雾源在自然风和水舌风的综合作用下，向下游扩散，使水雾分布在下游的一定空间中。之后，水雾经自动转换过程和碰并过程转变为雨滴，以及水雾和水汽之间发生雾滴的蒸发或凝结过程。如图1所示，因雨滴数较雾滴少得多，故在本数学模型中不考虑雨滴的蒸发过程和水汽凝结为雨滴的过程，在图1中用带虚线箭头来表示。1.1水雾雾源量的计算根据雾源产生的机理不同，底流消能雾化的雾源可分为二个第一是溢流坝面自掺气而产生雾源第二是水跃区强迫掺气而产生雾源。理论分析3和原型观测4都表明，后者为主要雾源，故在本数学模型中仅考虑第二雾源，而不计第一雾源对下游的影响。如图2所示，高速水流流经水跃区发生强迫掺气，其中跃首处旋涡最强，可以认为掺气点发生在此处，从而形成水气两相流。被旋涡挟持进水中的空气形成气泡，气泡在水中随着旋涡运动，有的气泡脱离自由面的束缚以水滴、水雾的形式跃出水面，从而形成雾源5。根据底流消能6的雾化机理，得到下式式中ql为单位长度线源的水雾雾源量，kg/smρ为水的密度Lj为水跃的长度，Lj10.8hcFr110.93，hc为跃首处的水深vc为跃首处的流速q为单宽流量，m2/smu′2为跃首处的脉动速度均方根uw为自然风和水舌风的合成风速。选取ρ、Lj、vc为基本物理量，令qeρLjvc，利用量纲分析方法式2可得根据湾塘水电站雾化原型观测的数据4}，应用逐步回归分析方法7，试建立式3的回归模型以ql/qe为因变量，以Fr1、Nt1和uw/vc作为可能的自变量，计算表明，在显著性水平为0.05，Fr1、Nt1和uw／vc这三个量对因变量ql／qe的影响都不显著以ql为因变量，以qe作为可能的自变量，在显著性水平为0.05，qe对因变量ql的影响显著。故对ql和qe作线性回归，求得1.2水雾扩散的数学模型1.2.1基本假设1水雾雾源位于跃首的上方，且为连续线源2水雾扩散满足高斯扩散模式，扩散参数采用布鲁克海汶扩散BNL参数系统，时空为小尺度模式3水雾在峡谷内扩散，水雾在下垫面发生沉降和反射4地形采用VALLEY山谷修正模式。1.2.2风向与线源垂直时水雾的扩散8图4是一个高架连续线源扩散的示意图，坐标系oxyz的y轴与坝轴线平行，x轴为水流方向，z轴为垂直向上，点o位于跃首上方，且高程等于下游水位。设P为下游空间的任意一点，其坐标分别为x、y、z，其水雾的浓度为式中σy为水雾在y方向的浓度分布方差σz为水雾在z方向的浓度分布方差h为水雾线源的高度，h05～1h″chc，h″c为hc的共轭水深。y1为水雾线源起点y坐标y2为水雾线源终点y坐标φ为下垫面的反射系数。考虑到峡谷内盛行山谷风，并且其风向变化不大。故扩散参数选用布鲁克海纹扩散BNL参数系统阵风度等级为D1.2.3风向与线源成任意角时水雾的扩散在坐标系oxyz中，假定自然风速为uw1，其风向与x轴正向成β1角水舌风速为vjw，其风向沿x轴的正向，则自然风速和水舌风速的合成速度为uw，其风向与x轴正向成β2角，规定从x轴的正向开始，绕点o逆时针转动时，角β为正值反之，角β为负值，如图5所示。建立风坐标系ox1y1z，使x1轴与uw平行，坐标系oxyz、ox1y1z的z轴相重合。将线源在y1轴上投影，分别得到虚拟线源在y1轴上的起点和终点坐标y01y1cosβ2y02y2cosβ2。这样，合成风速uw与线源成任意角的情况就转化为合成风速uw垂直流过虚拟线源的情况。参照式8，得到下游任意一点的水雾浓度分布1.2.4地形的修正模式因峡谷内盛行山谷风，并且其风向变化不大，故雾流扩散属于中性或弱不稳定的情形。选取美国国家环保局EPA的VALLEY山谷模式，地形的修正模式主要体现在修正雾源的排放高度上。在中性或不稳定的情况下，假定雾流中心平行于地面，始终保持其初始的高度。