（水利水电工程专业论文）大底坡泄洪管道明满流的水力特性.pdf

大底坡泄洪管道明满流的水力特性 水剥水电工程专业 研究生：漆力健撬导老蜂：桂撩 在上游库水位炎化较大的输水管道中，经常会在明流与满流之间出现过渡 流怨一一明满交替水流。明满交替水流是输水系统中的一种复杂且不稳定水流， 它往往会对建筑物遗成i 中击、空蚀等破坏。在坡度较陡且为高速水流的有聪泄 洪管道设计中如何避免管道内明满流的出现，是一个极具有科学研究价值和经 济意义的课鼷。本文对大病城高速输水管邋内孵满流的永力特性送行了初步探 索。 由于弱满流的形成与避永目前暇气漩满有直接的关系，本文通道对迸水口 以及其进水阴前面的不同结构布置形式研究，得出进水口布置形式对明满流的 影确：进永翻段豹含理布置，逶承翻段的蕊力分布较好，在不出现较大的聪力 变化情况下，明满流出现范围也会得到很大的减小；进水口前设有消涡措施可 以有效的阻挡和簸鞴漩涡静形成，也就相当予对瞬满流出现超到了掷青作用。 在大底坡输水管道中，明满流的流量特性有其独特之处。在高遮水流状态 下，避入管道的气体蘧求流流走，气东之闻的速度没有相对的滑移。i 因为其 有明流和满流的二重性质，刚进入明满流时，水流的性质呈现接近明流的特点： 随着痒永位鹃升高，上下辩永位落菱的作麓逐渐热强，有压流静注溪鸯磊强；流 量上升很快，与库水位有呈巅线的关系。 逶过怼不露方案豹不同王况下管道内静雉力分布的比较，发现在逶求愆段 压力值越低时，管道内出现明满流现象的范围越大；进一步印证了避水口设计 好坏对管道涛明游流产生静豢接侔嗣。营道您承弱羧顶部压踱对弱满流露管道 内的压力分布也有提升作用。再从对各转折点处的脉动压力分析，发现管段之 f 司衔接处的变化越大，那么导致脉渤压力的波动幅度也越大。随着底坡很大的 警遘表承滚滚逮熬浍疆增燕，熬动压力的波动溪瘦也稳应溪大；瑟在瘾瑗学缓 的管道中脉动压力波动较小。最后，通过尝试建立数学模型对明满流时可能出 现的最大、晟小压力进行计算，由于气体和水流二者作用，其内部变化非常复 杂，诗冀掰褥酶结果存在一定斡偏麓，仍需要避一步的完善；在总薅上分据瑟 数学模型舆有合理 生。 关键谓：明满流大底坡水力特性 h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e e - - s u r f a c e - p r e s s u r ef l o w i nt h eo u t l e tp i p e l i n ew i t hs t e e pb a s es l o p e m a j o r ：h y d r o e l e c t r i ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：q il i j j a ns u p e r v i s o r ：g u il i n i nt h ed e l i v e r yp i p e l i n ew i t hv a r y i n gl e v e lo fu p p e rr e s e r v o i r ，t h et r a n s i t i o n a l s t a t eb e t w e e nf l o wi no p e na i ra n dp r e s s u r ef l o wo f t e na p p e a r s a l t e r n a t i v e f r e e - p r e s s u r ef l o wi sc o m p l i c a t e da n du n s t a b l ei i lw a t e rs y s t e m i to f t e ne n g e n d e r s b r e a k a g es u c ha si m p u l s i o na n dc a v i t a t i o n st oc o n s t r u c t i o n i ti saq u e s t i o nh a v i n g r e s e a r c hv a l u ea n de c o n o m yc o n t e n tt oa v o i df r e es u r f a c e - p r e s s u r ef l o wi nt h e h i g h s p e e dp r e s s u r ef l o o dd i s c h a r g e - p i p ed e s i g n t h i sp a p e rp r i m a r i l ys t u d i e st h e f r e es u r f a c e - p r e s s u r ef l o wh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c si nh i g h - s p e e dd e u v e r yp i p e l i n e w i t hs t e e pb a s es l o p e s i n c et h ef r e e - s u r f a c e - p r e s s u r ef l o we n g e n d e r i n gh a sd i r e c tr e l a t i o nw i t h i n s p i r a t i o ns w i r lb e f o r ew a t e ri n l e t ，b ys t u d y i n gt h ea r r a n g e m e n to fw a t e ri n l e ta n d s t r u c t u r e sb e f o r ew a t e ri n l e t ，t h i s p a p e re d u c e s t h ei n f e c t i o no fw a t e ri n l e t a r r a n g e m e n tt of r e e - p r e s s u r ef l o w i ft h ew a t e ri n l e ta r r a n g e m e n ti s r a t i o n a la n di t s p r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni sr e a s o n a b l e ，t h ef r e e s u r f a c e p r e s s u r ef l o wr a n g ew i l lm i n i s h i nc a s et h a tg r e a tp r e s s u r eg r a d i e n ti ss m a l l t h es w i r l - r e m o v i n gm e a s u r ec a nb l o c k o f fa n dd e s t r o yt h es w i r le f f e c t i v e l y ，s ot h i sa l s oh a sr e s t r a i n i n ge f f e c tt of r e e s u r f a c e - p r e s s u r ef l o w t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i ch a si t ss p e c i a la t t r i b u t ei nt h ep i p e l i n eo fs t e e pb a s e s l o p e i nt h ec o n d r i o no fh i g h v e l 6 c i t yf l o w , w a t e rw i t ha i r f l o wi np i p e l i n ed o e s n t c o m ei n t og l i d i n gi nv e l o c k y b e c a u s ei th a sd o u b l ec h a r a c t e r si n c l u d i n gf r e ef l o w a n df l o w i n gf l o w , h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i ci ss i m i l a rt ot h ec h a r a c t e ro ff r e ef l o wa t l o wf a l lh e a d + a l o n gw i t he l e v a t i o no fr e s e r v o i t , t h ea f f e c t i o ni nf a l lh e a d s t r e n g t h e n sg r a d u a l l y t h ed i s c h a r g ei n c r e a s e sq u i c k l y - t h ed i s c h a r g er e l a t e st ol e v e l o fr e s e r v o kw i t hl i n e a r i t y a r e rh a v i n gc o m p a r e ds t r e s sd i s t r i b u t i o ni np i p e l i n ei ne v e r yk i n do fc o n d i t i o n ， i ti sf o u n dt h a tt h er a n g eo ft h ef r e e s u r f a c e - p r e s s u r ef l o wi sg r e a t e rw h e nt h e p r e s s u r eo f t h ep a r to fi n f a l li sl o w e r i tp r o v e sf a r t h e rt h a tt h es h a p eo ft h ei n f a l lh a s d i r e c te f f e c tt ot h ea p p e a r a n c eo fh ef l e e s u r f a c e - p r e s s u r ef l o w t h en a r r o wo ft h e o u t f a i li sg o o dt oi m p r o v es t r e s sd i s t r i b u t i o n 。a l t e ra n a l y z i n gt h ep r e s s u r e f l u c t u a t i n g 汪e v e r yp i v o t a lp o i n t ，i ti sf o u n dt h a ti ft h ea n g l eo ft h ej o i n ti sg r e a t e r ， t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i n gi sg r e a t e r w h i l et h ev e l o c i t yo ff l o wi ns t e e pp i p e l i n e c o n t i n u a l l yi n c r e a s e s ，t h ee x t e n to ff l u c t u a t i o np r e s s u r e i sc o r r e s p o n dt oi n c r e a s e 。 h o w e v e r , i th a sl e s sa m p l i t u d eo ff l u c t u a t i o ni np i p e l i n ew i t ht h el e v e lo rg e n t l e s l o p e 。 l a s t l y , m a x i m u ma n dm i n i m u mp r e s s u r e 趣t h ef r e e s u r f a c e - p r e s s u r e f l o wi s c o m p u t e dt h r o u g ha t t e m p t i n gt o s e tu pm a t h e m a t i c sm o d e l b e c a u s eo fi n t e r a c t i o n b e t w e e na i ra n dw a t e r , t h ef r e e s u r f a c ea n dp r e s s u r ef l o wi sc o m p l e x l ya n dt h er e s u l t o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm a yh a v es o m ee r r o r ，s os i m u l a t i o ns h o u l db ep e r f e c t e d f a r t h e r a saw h o l e ，t h em a t h e m a t i cm o d e li sr e a s o n a b l e k e yw o r d sf r e e - s u r f a c e p r e s s u r ef l o w s t e e pb a s es l o p e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c 四川大学硕士学位论文 绪论 1 。1 蹋满淀硒究撅冱“h 2 n 鞭螂“4 明满交替水流是输水系统中存在的一种极其复杂的过渡水流流态，是一种 气液两相的非恒定流。由于地形、地质和布置等原因，在运行过程中，在一些 输水系统中存在有压流向无压流，或无压流向有压流转变的明满流现象。这种 水流现象在水工隧洞、排洪管道、水电站尾水系统均有可能发生。因为水流中 挟带有气体，在流动的过程中气体的膨胀收缩导致其内部压力的升高和降低， 而且压力波动的幅度一般都比较大，常常出现负压，所以它往往会对建筑物造 成撞击、空蚀和振动等破坏，是输水建筑物本身和基础等的安全和稳定运行最 大隐患之一。 有学者。63 针对水电站的明满流类型将其分为两种形式，主要的判别方式是 底坡。实际工程中利用施工导流洞改作水电站尾水洞，过渡过程中导流洞出口 下游尾水位有较大幅度的波动。尾水位的高低受水库泄洪及水电站运行等因素 的影响，必定出现接近尾水洞出口洞顶的尾水位；当负荷变化时，尾水洞中会 产生明流转为满流或满流转为明流的水力学现象，不同底坡的导流洞改作水电 站尾水洞时会产生两类不同的明满流现象。底坡平缓或负底坡的隧洞，明流转 为满流从上游向下游方向顺次变成有压流，洞顶空气可逐次排出洞外，洞项不 形成气垫：由满流转为明流刚按相反方向亦不形成气垫，称此为第一类明满流 现象。当隧洞底坡为正，上游洞顶明显高于出口，明流转为满流从下游向上游 方向顺次变成有压流，洞顶空气无法排出而形成气垫i 当负荷变化洞内产生明 满流交替过程，并伴有吸气和排气发生，则称此为第二类明满流现象。 明满流作为一种特殊的水流现象，前人曾进行了些研究。在二十世纪三 十年代初，梅尔一彼得( m e y e r p e t e r ) $ 口卡里木( c a l a m e ) 考查韦廷根：( w e t t i n g e n ) 水电站尾水隧洞的涌浪时研究了这种类型的水流。他们的将水工模型试验结果 和计算结果进行比较，二者相当吻合。随后，在1 9 3 7 年德罗里( d r i o l i ) 报道了 他对工业运河中水波传递的观测情况。六、七十年代，又有一些研究者发表了 大底坡泄激管道明满流的水力特性 他们的成果。贾吉( j a e g e r ) 提出了慧予可能情猛懿公式。普墅斯曼( p e i s s m a n n ) 、 孔奇( c u n g e ) 、薪科尔耩夫( s t r e l k o f o 及威貉尔特( w 碴g e f t ) 等用计算祝进行数德模 拟研究明满流，并提出了若干数学模型。归纳起来大致可以分为两大类：一焱是 阱。w i g g e r t 、c h a r l e ss o n g 等为代表，其特点是将明满流的转换看成是一个点， 著良诧点 每为分赛点。怒警滚分残鞠滚程滋漉嚣个漉动嚣域，分裂矮鹾鬃浚耪 有压流的蒸本方程来描述其流动状态。另一类是p r i e s s m a n n 提出的用描述明渠 瞬变流的径维南( s a i n t - - v e n a n t ) i 隽f 稷分析明满流。这两类数举模型的共同特点 是：它们所攘述的明满渡在尾承濑都呈缓变救滤波过程，均没有缀好地考虑尾 求濑特定静边器条件的影响；建立数学模鍪的鏊本前提是在濑内不截留窝气， 且在过渡过程中洞内亦不存在空气的掺入和排出。它们只适用于描述纵坡平缓 或负底坡隧洞内的明满流现象。这然研究的现象即为上述的第一种类型的明满 流现象。 在我国己建的水电站中( 除施工期间的导流洞) ，很少遇到明满流交替运行 的长隧洞，尚缺乏明满交替流的工程设计经验，更无现成的水力设计计算规程 可循。就目前而言，明满流的研究主要集中水电站的尾水系统。我国的地下式 水电站愈来愈多，为满足水利枢纽整体布置的需要和节约投资，施工导流洞可 在工程后期改作发电尾水洞；如二滩水电站2 尾水洞就利用了部分导流洞改作 发电尾水洞，节省投资约3 0 0 0 万元”，并缩短了工期。不仅如此，还有利于保 持岩体的整体性，维护岩石较好的力学条件。工程中利用施工导流洞改作发电 尾水洞，在诸多因素约束下设计成较大正底坡( 一般底坡i _ 2 5 ) 的特殊布置 形式、造成在过渡过程中导流洞内明满流现象的难以避免；初始状态及过渡过 程中洞内形成气垫；洞内水流条件受到其初始条件和边界条件的制约。因此， 该类明满流与前人研究的内容有本质区别。我国的一些学者，如许景贤、丁振 华“结合实际工程用模型试验和数值计算相结合，对于明满流形成机理得出 了一些有益的结论。另外一些学者和设计人员用数值模拟方法对明满流水力要 素进行计算，为一些实际工程提供了合理可信的结果，并且给出了发生明满混 合流动的隧洞的有关优化设计原则。在国外也已有一些成功的实例，如瑞士的 w e t t i n g e n 水电站采用了部分工作的圆筒式调压室和明满交替流尾水洞；又如加 拿大的g h s h r m m 水电站有两条长各为4 0 5 m 和5 7 3 m 、高1 9 9 6 m 、宽1 3 7 2 m 的修正马蹄形隧洞，当下游水位超过一定高程后，在全部或部分负荷变化时， 2 四川大学硕士学位论文 隧洞内将出现明满交替水流现象，但都能保证机组的稳定运行。国内的一些研 究者通过对一些工程进行明满流方案的可行性研究，得出明满流方案在许多方 面有优于满流和明流的地方，如文献 1 7 对瀑布沟的尾水系统进行研究后，得 出结论有：岩石开挖和衬砌工程较明流方案减少三分之一，隧洞顶部虽应按承 受内水压力设计，但最大水压值只有1 2 5 5 m ( 发生在靠近调压室附近) ；调压室 断面较明流闸门室略大，但较有压流方案的调压室要小得多，且不增加高度方 向的开挖。调压室隔断了隧洞明满交替产生的压力波动，能完全保证机组稳定 运行，水头损失与明流方案相同。但从总体来看，对于这类明满流现象研究甚 少，至今未见这类满流的系统理论分析资料，其形成机理尚未完全搞清，而且 一些计算也只是在某种特定情况下进行的；有关明满流造成的空蚀和振动的研 究则更少。 实际上，在其他一些类型的输水系统中，如火电厂贮灰场的排洪系统、城 市雨水管网及下水道，会因为在不同的来流条件下不可避免会相应出现明满流 情况。在以往的工程设计，尽可能不让任何输水管道、隧洞中在任何情况下产 生明满流现象，目的是为了避免在时而有压时而无压的交变过程中对水工结构 产生破坏作用。因此，明满流现象是工程设计人员十分关注的问题。此类输水 系统中，尤其是在坡度较大的排洪管道的设计中，如何合理地布置水工建筑物， 尽可能的减小明满流发生的范围，降低明满流出现时的压力脉动值，使得有必 要对其水力特性进行深入的研究。但是，目前对于大底坡输水管道的明满流现 象的研究进行的并不多。 1 2 明满流研究的一些方法“m “3 与普通流体力学类似，研究明满流的方法可以分为试验研究和理论研究。 由于影响斛索很多，研究的难度很大，明满流的流动现象、机瑷和过程目前还 不甚涛楚，至今尚无较宠善的理论计簿公式。许多豹工程设计都需要依靠大爨 翡麓察帮溺囊获取数攥资瓣，剽霞半缀验静方法翳决淹透。因魏，模墅实验籁 测量在明满流的的研究中仍然占据着无可替代的地位。 在理论计算方面，随着计算机科举的迅猛发聪，数值模拟的运用在明满流 中懿磅变交褥越寒越耋癸了。二卡鼗缝六+ 年代，謦里蘩曼( p r i e s s m a n n ) 撬爨 大底坡泄洪管道明满流的水力特性 了个方法求解圣维南方程，即狭缝法。这一方法假设在管道顶部有条非常 窄的缝隙，该缝隙既不增加压力水管的横断面积，也不增加水力半径，选择的 缝隙宽度应使c - - - - - a ( c 为明流波速，a 为有压流水击波速) ，这样明满交替流就可以 不必进行单独分析。一旦管道充满水时，水深就是作用在那一点管道壁上的压 力水头。这个方法已经成功地用来分析水电站尾水隧洞的明满交替水流，是分 析明满流常用的一种方法。另外，也有采用s t r e l k o f f 法、特征隐式格式法的。 对于含气的长输水管道水力特性经常采用的方法是w y l i e 的自由气体一离散模 型。其假定是：认为气泡集中在管道的各个计算断面上，每一个气泡的变化膨 胀收缩的规律完全符合完善气体状态方程，而在两个计算断面之间管道液体中 没有气体存在，波速为常数，可以用特征线法进行计算，但是它一般只适用于 管道中气体的体积远小于液体体积的情况。 对于水工建筑物中出现的明满流现象，许多科学工作者作了大量的研究工 作，取得了不少的研究成果。但在理论分析方面，由于诸多原因，目前还不尽 如人意。 1 3 本文的研究对象及主要内容 随着经济的不断发展，长距离输水管道的建设也越来越多。输水管道( 隧 洞) 既有无压形式的明流输水系统，也有有压输水系统。就经济性而言，一般趋 向于采用有压输水形式。在远距离的调水还是较长距离的排水排洪，都有可能 因为一些不可避免的因素导致明满流现象的出现。鉴于涉及经济效益，深入研 究很有必要。本文以长距离的排洪管道中出现的明满交替水流现象作为研究对 象，就如何避免或者减小明满流所产生的不利影响，希望得出有益的建议。 实际上，影响明满流现象出现的因索多，形成的机理十分复杂，难以有一 个全面的探索。本文以一个工程作为依托，根据实验所得到的资料及一些文献 做一些初步研究。首先，对明满流出现与进承口前的边界条件之间的关系作了 探讨。讨论消除明满流的一些方法；其后，对明满流的水力特性进行分析，找 出其特有的流量规律和压力变化趋势。最后，还尝试了通过数值模拟方法来计 算明满流态时的压力变化。 d 四川杰学硕士学位论文 2 进鞠段彩式与篱道内龋满流出瑗的关系 管道避水日瞧爨水深是涉及餐道系统经济及安全的重要参数之。如果管 道遵水口的设计承深低于疆界水深，更i j 在管道邂承口处产奎漩涡、吸入童气。 在系统水力状态变化时，吸入管道内的空气将给系统安全带来严重危害。避水 口在定的淹没水深范围下，管道闽歇性的吸气是导致管肉是否产生明潞交替 滚翡妻貘囊蠢。管邋送霉菠熬不麓森置形式怼予簸泰管道承力獠注产生锈显鑫冬 影响。本章将结合横犁试验对不嗣的进永口段布置方式进行比较和讨论。 2 。l 模型介绍跚 本论文所依托的试验原型为菜火电厂贮灰场的排洪系统。根据火电厂贮灰 场的正常运行要求，贮灰场内的径流来水和天然雨水要及时排到场外，而每次 行洪对排洪管道而言要经历明流一明满交替满流明满交替明流过程，对明满 交替流态进行试验研究以满足安全运行要求。 试验模型按照重力相似准则设计，采用正态比尺。( 注：本文的数据若不作 特别说明，则均指原型尺寸) 几何比尺：丑= 厶= 6 0 流速比尺：屯= 彬2 = 7 7 5 流量比尺： 糙率比尺： 如= 露2 = 2 7 8 8 5 5 = 带= 1 9 8 模型试验中率定了有机玻璃的糙率，当模型水流雷诺数r c - 兰i 垦，5 + 1 0 5 时 v 将1 3 = o 0 0 8 s 换算，对应于原型r t ：o 0 1 6 9 。 本试验模型由进水口水流调节阀、上游水池、进水口、排洪卧管、消力池、 下游河道、三角堰等组成。进水口、排洪卧管、消力池采用透明有机玻璃制作， 以便于观测。水位测针量测水库水位及消力池出口水位，流量由9 0 0 直角三角 形薄壁堰量测。在进( 出) 水口段、消力池、管道的各转折点处均布詈有测睬管。 大底坡泄洪睹道明满流的水力特性 f 见蹬图 排洪卧管直径为0 4 5 m ；原始方案f 即方案一) 大致为沿地形铺设，长约 1 6 6 4 o o m ；进出口高程差6 4 o o m ；沿程有1 1 个转折点。第一段圆管的底坡为 o 1 4 0 7 ，出水口段底坡为0 0 2 1 2 。其余管段底坡在o 0 0 8 至0 0 9 8 之间变化f 见 附表一) 。 卧管迸水口尺寸为b h = 6 0 0 * 6 o o m 2 。进口段喇叭口设计采用最常见的四分 之一椭圆顶缘曲线：上缘的长轴3 o o m ，短轴1 o o m ；喇叭口段长3 o o m 。侧墙 也采用椭圆曲线连接，长轴3 o o m ，短轴0 6 5 m 。后接方交圆段。出水口段的 方变圆段长9 o o m ，顶部压坡为1 9 。卧管出口尺寸为b h = 4 5 0 * 3 5 01 1 1 2 。卧管 出水口和消力池之间方案一同高程；方案二、三则改为卧管出水口和消力池之 间以抛物线过渡明渠段段连接f 见图2 1 1 ，以避免在出口处形成淹没出流而降低 排洪管的过流能力。抛物线方程为y = f x + 2 1 z s ) z 0 0 0 2 4 3 ，过渡段的宽度与出 水口的宽度相同。 把口段抛物线段消力池段 图 甲 a a b - - b 图2 1 卧管出口及消力池布置图 2 2 备方案的布置及其状况下的流态。1 海漫 为了得到最佳的效果，根据对试验数据分析及观测，进行了多次的模型修 改，本文在以下部分将选取三个典型的布置方案进行讨论分析( 进水1 2 1 的改变方 案见图2 - 2 1 。 根据拦洪坝的设计，上游库水位在0 1 5 o o m 范围变化。整个水位由低到 四川大学硕士学位论文 毫的造疆中，袋次照瑷弱浚、爨瀵交替滚、瀵波。在本文中，对三蠹豹隳分主 要是依照水流在爵警中的流态，能是由于在离水位对有些工况下仍然迸气，丽 从其流动的特点看，应该归入有雁流范围，所以也会参考流量( 系数) 的变化来 确定。 。挡水坝 ， 方案一 书三三薹薹l u ! ! 苎曼至三三三 0 文亡方变圆段 圆管段 喇叭亡方变圆段 圆管段 俯视图 消涡项 方案二 图2 - 2 不同方案进水口布置图 2 2 1 方案一的布置以及流态 方案三 进水口头部伸入坝内2 0 0 m ，方变圆段为水平布置，长1 8 0 0 m 。后接第一 段卧管的坡度为i = 0 1 4 0 7 ( 见图卜2 中方案一) 。进口段与第一段卧管的转角为 8 0 ，第一段与第二段卧管的转角为6 0 5 0 。 明满交替流的出现的范围在库水位6 1 8 7 0 8 m 之间。 在水库水位6 1 8 6 6 6 m 时，进水口前有稳定的立轴吸气漩涡，偶尔会出 现中断，中断的时候在管内就会出现较短的满管段水流。在6 1 8 m 时，出现满 管段的间隔约为9 3 3 4 9 秒，出现频率为0 2 3 次m i n 。库水位6 6 6 m 以下时， 整个管道中以明流为主，管道中水流的体积不到整个管道体积的一半。随水库 水位升高，进水口前的淹没水深随之增加，管道中满管段的数量也会增加，满 管段长度亦增加。吸入管内的空气被水流带走，不会产生停滞。在进水口前的 7 太底坡泄涣管道明满流的水力特性 水位随进气的大小而产生小范围的波动。喇叭口至方变圆段的水流流态十分紊 乱，水流呈射流状进入管内。满管段水流在坡度较陡的管道变得短一些，较为 平缓的中间管道则变长。在出口的几个底坡较为平缓管段，大的气囊破碎，变 成小气囊或成群的粘在一起的气泡。出口处的水流不太稳定。 在6 6 6 7 0 8 m 库水位时，进水口前保持有立轴吸气漩涡。吸气漩涡在进 水口前以竖轴中心有左右小范围( 约1 2 0 1 5 0 m ) 的摆动。间断性进气，进气 频率与库水位6 1 8 m 比较，大大增加。在库水位6 6 6 m 附近，明流段长度略大 于满管段( 模型中的长度均在1 o o m 以上) ，进水口前的水位波动较大。随库水 位增加，明流段长度渐渐减小，满流段加长。接近库水位7 0 8 m 时，以满管段 为主，在满管段的顶部携带有成串的气泡伴随流动，在坡度较平缓的管段随大 气囊的破碎，项部基本为成串的大气泡。此阶段，出口处水流不稳定，顶部水 面呈跳跃性。 到7 0 8 m 以上的库水位后，管流进入满流状态，但进水口仍然有间歇进气 现象，漩涡的出现具有随机性。漩涡在进水口上游出现后，由远及近到达进水 口前。离进水口较远时，淀涡中心凹陷不深，而在迸水口前停留一段时间后， 突然漩涡中心加深，吸气进入管道内，随即漩涡消失。进水口前的水位产生较 大的波动。气泡由喇叭口中心偏下部成串进入管内，很快聚集在管顶，随水流 流走。直至库水位1 1 7 0 m ，依然有气泡串进入，随水位增加进入气泡的次数逐 渐减少，气泡大小也逐渐减小。从第十段卧管中开始，气泡皆变小，甚至成为 粘在一起的泡沫状气泡群。出口水流较为平稳。 库水位1 0 5 6 m 左右时，较陡向缓的底坡转折时，第二、六转折点的下游 侧顶部，每当较大的气囊或者成串的小气泡流过后，就会形成较长的气腔( 模型 中约为1 5 0 0 2 0 o o c m ) ，转折的角度越大则形成的气腔越长，为水跃状；持 续约4 0 9 3 秒，然后逐渐变短直至消失。而在库水位7 0 8 9 4 8 m 之间时，第 二、六转折点的下游侧顶部均形成大小、持续时间皆无规律的气腔。 高于1 1 7 m 库水位后，管道内水流为稳定的有压流，不再有气泡进入。 22 2 方案二的布置以及流态 鉴于方案一中的第一段卧管上游段底部存在较大的负压( 具体数据见第四 四川大学硕士学位论文 章) 且流态较差，第五转折点处的顶部在某些工况下为较小的负压，因此对方案 一进行了修改：将进水口移到与坝面在同一铅垂面上，并对排洪管坡度进行了 修改。在进水口高程不变情况下，喇叭口段及方变圆段的一部分共长6 o o m 为 水平布置，形成宽顶堰；其余方变圆渐变段( 长1 5 o o m ，1 = 0 0 5 2 3 ) 则上游端与 宽顶堰底部以3 0 衔接( 见图卜2 中方案二) ，将第二转折点抬高3 o o m ，下游端 以角度7 9 4 0 与第一段卧管( i = o 1 3 9 5 ) 连接。第四转折点处降低1 o o m ，其他管 段未作改动。 明满交替流出现的范围约在库水位6 4 8 7 2 0 r n 之间。 在6 4 8 m 库水位附近，漩涡始终出现在靠近进水口处，以进水口竖轴为中 心左右摆动，不会消失。而在随水位升高过程中，漩涡出现的位置将逐渐向上 游移动。漩涡由上游位置渐渐运动到进水口前，进水口前左右摆动一段时间后， 漩涡中心深度突然变大，管内进气后，漩涡消失。在库水位7 2 0 m 附近，漩涡 将是间歇性出现，漩涡中心很浅。气囊、成串气泡在管道中的运动变化于方案 一所描述的没有太大区别。 到7 2 0 9 2 4 m 的库水位之间，管道内为有压流，但仍然间断有成串小气 泡进入。迸水口前和管内的水流流态与方案一中基本相似。 高于9 2 4 m 库水位后，管道内无气体进入。管道水流为稳定的有压流状态。 2 2 3 方案三的布置以及流态 为了减小明满交替流出现的范围，又不至于对过流能力有太大的影响，在 进水口顶都水平布置一个9 0 0 * 3 0 0 m 2 防涡顶盖( 见图2 3 ) 。其余的布置较之方 案二不作改变。 明满流出现的范围在库水位6 3 3 6 8 4 m 之间。 库水位6 5 4 m 以下时，在进水口前基本上无漩涡出现。进水口前水位的波 动较前两方案要大一些，水位的波动导致水面时而高于防涡顶盖，时而低于防 涡顶盖，这样就导致了管内间断性的进气。 高于6 5 4 m 以后，出现中心较浅的漩涡，随水位的增加，漩涡中心深度也 增加。漩涡出现的位置在防涡顶盖的两侧基本对称的位置。漩涡由两侧较远处 生成并渐渐运动到进水口前( 见图2 3 中圆圈及虚线) 。在防涡顶盖附近位置， 9 大底坡泄洪管道明满流的水力特性 稳定约3 9 5 4 秒( 模型中约5 7 秒) 后，突然漩涡深度变大。管内进气后，漩 涡消失。因为进气的时间间隔短，频率增加，所以第一段管道内的明流段和满 管段长度也较方案一、二短。明流段和满管段的长度也较为接近。 图2 - 3 防涡顶盖布置，( 单位：m ) 在高于6 8 4 m 的库水位后，一直到7 0 8 m ，仍然有漩涡出现，但影响范围 比较小。漩涡底部偶尔挟带有数个气泡进入管道。但管内水流已经是有压流。 管内的水流流态与方案一中相似。进水口前的库水位稳定。 库水位高于7 0 8 m 后，管道内为稳定的有压流。 2 3 管道内明满流形成原因的分析伯1 在库水位高于进水口顶部一定的高程时，此时水面已经隔断了空气直接进 入排洪管道的路径。而在高于进水口高程的某一库水位范围内，管道内的水流 为明满流流态就是由于水流中的吸气漩涡的间歇性吸气导致明满流的形成。下 面重点讨论与明满流形成有密切关系的进水口前漩涡的形成。 2 3 1 进水口前吸气漩涡的成因加8 1 1 ”1 ”乜叨 在输水管道中，导致明满流产生的主要根源是在于进水口前的吸气漩涡的 存在或水位的波动。 对于溢洪道、泄洪洞、排沙洞、水电站进水口等进水底孔，孔1 3 附近水面 常常因水流受边界条件影响而形成漩涡。水流在进水孔口前受边界条件约束， l o 四川大学硕士学位论文 发生纵向或横向骤然收缩，水流流向及能量均发生变化。若上游流速为v 。，孔 口流速为v 时，当水流行进到孔口，因断面收缩，孔口附近的水流流速由v 。增 加成v ，动能增大。而表面部分的水流受边界条件的约束，v 。沿流向逐渐趋向 于零，动能转换为位能。在取水口前的局部区域形成水位壅高的滞流区，这个 滞流区的大小、形状与进口边界条件密切相关。滞流区的水体同时受到正向、 反向和横向流速的综合作用，构成漩转运动，在进口重力作用下促使该回旋水 体呈现为一种吸气漏斗漩涡。 通常，根据其旋转强度，漩涡可以分为不吸气漩涡和吸气漩涡两大类”3 。 吸气漩涡又分为三种( 见图2 - 4 ) ：间歇吸气漩涡、间歇串通漩涡和稳定吸气漩 涡。由于吸气进入到管道中，在管道顶部形成不连续的气囊随水流流动，而且 体积、形状没有规律，引起水流流动极不稳定，从而引起管道内较大的压力脉 动，甚至会招致空化、振动等恶劣的破坏作用。 戈鼹气羹端 t 羲噬髑臻蘩獭 + 崎i “r 、，+ 、。 雠戢啜e 警氍 1 厂(薯、 气 图2 - 4 管道进口空气吸入形式 还有文献峙旨出：漩涡生成还取决于进水口的环流、行近流速、流量、周 围的固体边界、。在水平进水口前，水流在接近进水口时，流线逐渐收缩a 表层 水流流速也在接近进水口处时降低至零，而下层水流流速却不断增大，导致上 下层两股水流的流速有一个跳跃性的变化。 间断面。 由牛顿内摩擦定律可知： 咖 = 卢石 式中：f 一粘滞切应力； “一粘滞系数； 这样，在进水e l 前就形成一个流动 ( 2 一1 ) 查塞茎些垡篁堂塑塑亟塑查垄堑丝 j ， 半一速度梯度。 妙 在两个相邻的流层间的速度梯度将为无穷大，所以粘滞切应力也将会是无 穷大。现实中显然是不可能稳定存在，因为交界面会随着水流流动中的干扰而 变成一个个小的漩涡。这些小漩涡的速度环量相互叠加，形成较大的速度环量， 最终在水面以漩涡的形式表现出来。 通常有三个作用力影响漩涡形成：重力、粘滞力、表面张力。一方面，形 成吸气漩涡的条件是水流的惯性力超过粘性力。对于水平漩涡，雷诺数r e = u r 大于 是产生吸气漩涡的先决条件。而在明满流阶段，流量随库水位：v 2 0 0 0 的微小升高会急剧增加。此时的水力半径可认为基本不变，那么流速是影响漩 涡产生的主要原因。还要看到，之所以会在进水e l 前出现漩涡，是因为水流在 接近进水口时，水流流线收缩，流线之间的不平行性愈来愈大。流线之间的速 度分布也不会均匀。从而由式( 2 1 ) 就会得到，速度差的存在引起水体的旋转。 并且随流速的加大，漩涡强度也愈剧烈。在一定的强度范围内，漩涡具有吸气 能力，这样就导致空气进入管内。另一方面，随着库水位的升高，从迸水口顶 部至水面的高度也增加了。根据佛汝德数 r _ u 。 厂= l ? ( 7 f r = u 曲21 f 2 詈 y月 式中：u 一过水断面的水流流速； 万一过水断面平均水深，石= a b 。 所表示的是水流惯性力和重力两种作用的对比关系：明满流时，速度的增加比 水深的1 2 次方值的变化要快得多，所以整个明满流状态过程，迸水口前的漩 涡表现为吸气漩涡。而进入有压流状态后，进水口前的流速随水位升降变化很 小，此时佛汝德数将逐渐变小，也即水流势能( 即重力的作用) 的比例增大，就 对漩涡的发展起阻碍作用；超过某一水位后，漩涡发展将被彻底的抑制，管道 内的水流就进入了稳定流状态。 在方案一、二中，在较大的淹没水深时还有空气进入。和方案三比较，方 案一、二都没有防涡顶盖，其进水口水流速度分布的不均匀性比方案三就要大， 四川大学硕士学位论文 邃疫撵疲懿墙热，溅落之润懿旗潞韬应力r = 警穗应增麴，导致速褒环藿( 承 印 流中的扰动影响) 变大，也就促进了漩涡的产生。为了消除漩涡，就要增加水流 的势能才能得以抑制漩涡的产生，所以在其他条件不变的f 瞒况下，只有增加淹 没承潦才缒运嚣。褥比较方案一强方寨二，泼涡渣失懿瘴承位有较大懿嚣燕， 可以知邋不同的边界条件对淹没水深的影响是很大的。方案中边墙离进水口 有一定的距离，流线收缩率很大，水流在进水目的周围的流态很差，进水 1 上 部戆零滚在馁选 睾麓下狰击到遗壤萎会套蜀部秘回漉。国浚会燕捌进承翻蘸东 流流速分布的不均匀度，也为漩涡的产生提供了条件。亩试验也观察剽进水口 前水流流态比方案= 、三要紊乱得多。 在方案三中，明满流出现的范围明显减小。进入有压流状态后，避气的淹 没东臻纛交褥镶，j 、了。摄攥磅究”褒鹈：在遵农墨上方翥育一漩涡发生嚣( 觅蚕 2 6 剖酾钱部分) 。猩此漩涡区以外，通常不会有漩涡出现。方案三中，可视为 防涡顶虢把出现涡体的区域隔开了。也可以这么认为：与方案- - i ：l 较，防涡顶 盖霆辨延 孛螽，进入避东墨豹东浚裁会在远一麓匏逮方变 嚣均匀起来，穰当予 扩大了邂水口的尺寸，减小了单宽流量，减小了流速分布的不均匀性瓤避水口 的流遮。流线不会如方案一、二中那样在进水口前有很大的曲率，水流的速度 梯度也褥至了降低。因此，水流产生涟涡的条件在强度上降低。漩涡出瑗懿范 围龟藏缡小了。 2 3 2 淹没水深与明满流之f b - 的关系m 。m 孙。 管道中明满流的出现与进水口前是否有吸气漩涡是有直接关系的。而进水 口的淹没深度和入流流速是旋涡形成并影响旋涡形态的主要因素之一。当进水 口淹没深度不足而入流流速较大时，极易形成立轴旋涡。一般在边界条件、来 流条件和运行条件一定时，存在着一个下限水深，低于这个界限水深，就会有 旋涡发生，这个界限水深就叫临界淹没水深。由于进水口条件非常复杂，而且 不同的工程有各种变化，所以确定各种条件下的临界淹没水深是很困难的。对 于临界水深的研究，因为相关因素多，加上进口段复杂的曲线，这给理论分析 和数值计算、模拟带来很大的困难，到目前为止尚无理论性的淹没水深公式得 大底坡泄泌管道明满流的水力特性 出。由于避水口的型式嚣种各样，加之有些工程在进水口前肖防涡设置，掰以 没有一个潦蘑豹公式可应蘑予各实辩工程中。不少学者己提爨冬自豹磷宠袋巢， 但各家方法计算所得缩果差别较大。散见于文献“叭”“中的公式都是根据实际 的某一个戏莱一些工程总结出来的经验公式，并不具有普适憾。 基 l 誊杰计算遘东瓣耱瞧暴淹没承深懿公式中，最霉耀戆怒戈登( g o r d o n ) 公 式，是戈鼗在t 9 7 0 年调查了2 9 个工程实例以后，提出的公式： h = c u d “2 ( 2 - 2 ) 将上式无量纲化燮换后，褥到： 一 h d = c 4 # g 一v = c f r ( 2 3 ) qg d j e 向引水时c = o 5 5 ( c = 1 7 2 ) ，侧向引水时c = o 7 3 ( c = 2 。2 8 ) ： 式中：h 一驳逡承墨联瓤冀莛静淹没深度； c ，c 一综合影响系数； u 一进水口处断丽流速； d 一管径。 戈登公式在一定獠度上反浃了辱| 承口前漉态阔题静实袋，僵不够垒甏，丽 且准确度也不太高。 1 9 7 9 年，彭尼诺( p e n n i n o ) 等总结美国a l d e n 试验室i 3 个抽水蓄能模刺试 验残果，掇整接东蓄糍毫楚避隶强不论其垄式耧在承瘁中黪馥霍懿 霉，遂承墨 入流佛汝德数应限制搬0 2 3 以下的防涡经验： f r 2 v 曲o ( o 2 3 式中：v 一进口处的警瀚流速； g 一重力加速度； h o 一进口中心线以上的设计最小淹没深度。 谴拯爨耋遴霸数大予0 。2 3 辩，一羧筠溅瑷暖气攘涡( 萋采取专门撩藏 也可能防止) 。当f r 数小于0 2 3 甜，一般不易比现吸气旋涡，此时，若设计不 当或环流强度大，在较大淹没水深都可能发生吸气旋涡。 还鸯冀镳