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文档简介

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/(sm);为水的密度;Lj为水跃的长度,Lj=10.8hc(Fr1-1)0.93,hc为跃首处的水深;vc为跃首处的流速;q为单宽流量,m2/sm;u2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、Lj、vc为基本物理量,令qe=Ljvc,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uwvc这三个量对因变量qlqe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:y为水雾在y方向的浓度分布方差;z为水雾在z方向的浓度分布方差;h为水雾线源的高度,h=(051)(hc-hc),hc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;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D):1.2.3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1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2角,规定:从x轴的正向开始,绕点o逆时针转动时,角为正值;反之,角为负值,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:y01=y1cos2;y02=y2cos2。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,

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