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。11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/SM；Ρ为水的密度；LJ为水跃的长度，LJ108HCFR11093，HC为跃首处的水深；VC为跃首处的流速；Q为单宽流量，M2/SM；U′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QE