高流速水工建筑物上掺气槽通气量的水力模拟.docx

1、0,1册第12卷第1期1995年3月永2赴结啊忿初q衣江科学院院报JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute峻僧Vol.12No.1Mar.1995高流速水工建筑物上掺气槽通气量的水力模拟刻大明而1313要在分析此问题研究现状基础上，提出了利用佛汝德模型辅以挑坎局部加槌，用锁度雷诺怜数作为控制标准，以预报原来需气量的新途径.并进行了理论分析'系统模型试验及原型资料整理。给出了临界锁度雷堵数的初步数值，提出了模型设计试验程序的建议.关5zJsi竺性四；a妙妙土度雷诺数1现状综述预估掺气槽需气量是个十分复杂的问题。中外学者作了并继续进行

2、着探索研究。归纳起来，不外如下4种作法.但都有其各自的局限性。1）基于原型观测资料统计回归（如夏统常、陈肇和、韩立等）。原型资料是可贵也最可信的，但目前的作法有两个问题，只分析了水力参数的作用，放弃了几何及其他因素的影响；统计回归精度取决于资料的丰富程度.而实际现有原型资料不多，故其成果难以推广运用于其他工程。2）基于各种掺气设施的大量模型和原型资料.综合分析，提出包括诸多因素的综合计算式或曲线图（如Pint。"、Vokart、Kob瞒、Zagustin、夏统常、周林太等）。但各家公式估算的结果相互差别很大，-般只适用于原提供资料的工程，而难于概括干差万别的其他工程。3）把需气最与模

3、型流速F,屁“或W相关（此处吼We,.为以空腔长度为尺度的雷诺数或韦伯数）。如潘水波河、夏毓常典）等提出：当模型>67m/s或敞>3.5X106或H&>8501000,即可基本预报原型需气量。但流速不是决定需气量的唯一因素,也有即使V>7m/s仍不能相似的例证（如李隆瑞c，n）;按此要求，只有作大尺度模型.耗资费力，往往难于实现。4）有企图把模型比尺和需气量换算校正系数建立直接相关曲线或计算式如Vischer）的队>曲线、Bruschins的为二/顶角、王世夏皿的坊缶（跖/心"&乙。加）、王俊杰、尹洪昌s的合=乙，5、Pi"”、

4、周林太的乙>这是水利水电科学基金资助项目（88）水科基金准字第88021272号-播气量的比尺效应”的综合报告的简要内容。的此.其生要内容句部分刊登在接考文献29中，点或乙击等，但实际工程有大有小，相对比尺并无绝对紊动的概念。理论上缺乏根据。HydraulicModellingofAirDemandofAeratorsonHighVelocitySluicingStructuresLiuDarning(YangtzeRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010)AbstractBasedonstate-of-the-artofresearche

5、sontheaerationproblemthispaperpresentsanewapproachtopredicttheprototypeairdemandofaeratorsbyusingFroude.modelwithroughedramp,inwhichtheroughnessReynoldsnumbergisusedasadominatingcriterion.Aftertheoreticalanalysis,systematicmodeltestsandinvestigationofprototypedata,apfeliminarycriticalBelandthemodeld

6、esignproceduresarerecommended.Keywordssluicingstructure；aerator»airdemand；hydraulicmodelling三峡工程基本情况长江三峡水利枢纽坝址位于西陵峡的三斗坪，下距葛洲坝工程38km,是一座具有防洪、发电、航运、养殖、供水等巨大综合利用效益的特大型水利工程。1994年12月14日李鹏总理亲自宣布了三峡工程正式开工。这项工程由拦江大坝、水电站和通航建筑物等部分组成。将采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”的方案。大坝坝顶高程185m（吴淞基面以上），正常蓄水位175m,总库容393亿m3o其中防洪库

7、容221.5亿nP。电站装机26台，总容量1820万kW。通航建筑物年单向通过能力5000万t.改善航道约650km。工程分三期施工，主体工程施工总工期15年，1997年实现大江截流，2003年首批机组发电，永久通航建筑物启用，2009年工程全部竣工。2新途径探索掺气槽需气量主要受水力条件、儿何条件所制约-也还受运行条件的影叶.目前研究还达不到用包括诸多因素的完整的物理公式来描绘水流运动规律的程度。因此，最现实的办法仍是借助佛汝德模型来解决。因对某一具体工程而言.上述所有条件都是能够模拟的。而只集中注意力于模型原型换算问题的研究。众所周知，需气量之所以不能简单用片模型律换算,其根源是水的粘滞力

8、和表面张力不能按比尺缩小,致使模型和原型在水流型态、边界层厚度、素动强度、水舌破碎程度及喷雾现象等方面很不相似。一般是模型素动强度小于原型,而表面张力影响则大于原型。因此.其综合解决办法.是设法增加模型水流紊动强度,以消除或减小上述不相似现象，其具体措施就是在挑坎加糙。关于加槌以增加水流紊动强度问题，前人已有过探索如Kuiper。在研究螺旋桨空化问甄时,采用导边加糙.当其糙度雷诺数大于600时,能使模型上层流边界层变成素流.达到了在流态和初生空化数上与原型一致。EvineuaRutschtnannt20董曾南；及BaddouretalC221试验表明.不同型式的加糙.可以不同程度地加大紊动强度

9、；在Sayano-Shoushenskayal23J及FozdoAcr"，）溢流道掺气槽试验中.均表明加糙可以增加通气鼠或双气水比）值。Pint。国在近期研究中，也提出模型加糙的必要性。但上述成果还只限于定性相对比较，还无人进行过深入研究。众所周知，研究人工糙体对水力摩阻影响最细致、资料最丰富的是尼古拉兹（对管流）和惹格日达（对明流其著名的并沿用至今的曲线示于图1（左边）。很有兴趣的是：如将图中&除以相应的号（或当）值.（此处r为管道半径.R为明渠水力半径）即可将它转换成糙度雷诺数处“=2）。经改用处，为横座标.可点绘成图“右边）的曲线。由图可见：就流态分区而言.图1c）、d

10、）比图la）、b）更简单、明了、直观.且阻力分区的界限值.几乎为一常数，流态取决于&即取决于V-J的乘积，因此改变/与改变d是等效的。这给人们重要启示：为模拟掺气.当模型流速不够大时，可采取增加槌度来代替，可起到同等作用。3模型试验取三峡溢流坝的单孔作了1：23,1；35和1：50三个断面模型试验。溢流坝单孔宽8.0m,在高程123.6m处设置一个掺气槽，两侧各设一个通气孔，其具体布置见图2。不同比尺模型堰面分别用有机玻璃或水泥砂浆刮制.使其糙率系数大体相似。只对挑坎采取局部加糙，具体作法是用级配筛分出的不同粒径区间的粗砂或碎石，用还氧树指粘贴在有机玻璃上.做成不同人工糙度的挑坎.可在

11、模型上按需要换装。如对1:35模型，其砂石的粒径区间分别为0.6L2mtn1,22.5mm,2,55、0mm510mm。并取各区间的平均粒径=0.9mm,i.85mm.3、75mm,7.5mm为其代表粒径，再加上未贴砂的有机玻璃挑坎（据有关资料.其糙度约相当0.012mm）,共有5种糙度。在1：23和1：50模型上的贴砂粒径，大体按照模型的几何比尺.进行放大或缩小。其具体数据如表1共试验了16种不同糙度的挑坎。图中a）,c）为NikuradsJ管道本流试验b>.d为Zegla明渠水流试验图1水力摩阻特性图表1模型挑坎加销砂粒径表mm模型比尺料径苑围及平均值Ji土d523粒径苑圄（有切玻璃

12、）0.92.02.07.015.0平均0.0121.452.955.4511.0035粒径范围（有凯玻璃）5.。10.0平均0.0120.901.853.757.550粒径范围（有机玻璃0.420.840.841.751.77.010.0平均0.0120.631,2952.6255.258.5在掺气挑坎中间位置上安装了脉动压力传感器，试验时脉动压力信号，用磁带机记录。掺气槽两侧各设圆管式通气孔一个,其进口做成嘲叭形以利顺畅进气.通气孔均匀段中心点，安装热球式风速仪，以量测通汽孔中心风速。根据有关比测经验I”）,通气孔中心

13、风速均与断面平均风速比较接近，基本可用以代表后者。故本报告用实测孔中心风速宜接计算通气量。不同比尺模型的通气孔形状、尺寸及风速仪安装方法、位置等均注意完全相似，以资对比。试验过程中，还观测记录了空腔负压、水舌长度及流态等资料。观察表明，在同一流最条件下，挑坎如糙后，水舌底缘较未加槌时破碎历害，但冲击点位置变化不大。不同糙度下，空腔负压变化不明显.未发现规律性-其变化似在星测精度范围。参考三峡设计条件.对不同比技模型不同糙度挑坎的】6个组合方案.均各放水45级流量,其控制条件如表2。总共获得食验资料75组（为核实资料的重夏组次未计.慎理计耸最终资料列入表3。经按相同丹条件点绘成图。图3、图4、图

14、5、图6、图7就是相当库水位为175m（即所=3.633.71）的有关成果。其他麻水位的试验资料，均可分别点绘成类似曲线。本文未列入。表2水力试验条件表原型相应模型值i»231«351«50库水位（m）单孔流量Q（m，/s）单宽流量q(m'/sm)Q(L/s>q(L/sdm)Q(L/s)q(L/sdm)Q(L/s)q(L/sdm)160150.0018.7559.0016.958.55.31165430.4853.8】169.6848.7859.4025.9924.3515.20170835.41104.43329.309-1.67115.2850.

15、4347.2629.541721002.40125.30395.12113.60138.3260.5156.7035.441751320.88165.11520.64149.69182.2679.7474.7246.70由图3、图4可见：对于每个模型.都是加槌越大，脉动压力也越大表明水流素动强度越大.相应掺气量也越大。不同模型上.要达到相同的或K值.则小模型所需糙A克3顼fl原型水位(m)1，23模型槌度.Kmm)0.0121.452.955.4511.0(-)(X10»)(XIO5)(X10s)(X10s)1604735.711.621.543.316557.26.914.126.

16、052.4闻17068.68.316.931-262.917269.68.417.131.663.817570.28.517.331.964.3计算豚160动压力1650.0560.0870.1280.1660.261相对值1700.0360.0590.0850.1100.1561720.0310.0550.0750.1020-132yii1750-0260.0450.0660.0840.110实测耿160动庞力1650.2190.3390.5000.6501.031均方相4/=1700.2250.3620.5180.6700.950V±Ly1720.2200.3830.5190.7

17、100.920(kPa)1750.2180.3740.5430.6970.90516031.1569.2383.0893.4796.89计算气土U/16515.6016.8019.2024.0039.60ZK比s1708.989.6010.5312.7021.68P(%)1726.717.709.5510.5916.001756.266.676.467.8413.71M1M各模型吼VT/y«.疗。"汇总表isKsiKhsl?-wwcq<1，35模散1：50模型槌度J(mm)槌度J(fnm)0.0120.901.853,757.50.0120.631.2952.6255

18、.258.5(-)(XIOS)(X10l)(XIOS)(X10»)(-)(XIO*)（XI伊）(XIO1)(X105)(XIOS),7.I14.122.814.528.938.22.04.18.11G.727.017.334.710.220.433.017.635.247.I20.633.417.835.510.621.334.10.1370.1930.2420.430.3990.5810.0620.0840.1170.153

19、0.2280.0620.0870.0940.1250.1770.2640.0390.0550.0780.1170.1810.0360.0520.0630.0860.1190.1680.0340.0460.0740.1040.1630.0310.0460.0570.0760.0980.1380.0290.0380.0590-08280.0410-0480.0670.0840.1220.1100.1550.1930.2580.3190.4650.1600.2170.3010.3940.5860.Ill0.1560.1680.2250.3190.4750.1550.2200.31

20、00.4630.7250.1020.1460-1770.2420.3320.4690.1540.2110.3380.4740.7430.0990.1480.1810.2430.3H0.4430.1580.2080.3210.4370.6870.1060.1570.1820.2560.3220.46320.433.541.945-673.681.316.317.0417.0418.5237.047.79.912.614.418.925.28.7810.309.169.1613.76.859.610.57.327.327.327.9511.4.55.77.68

21、.84.835.805.565.567.253.0S.16.4A*3争元格法HM声#-1拿4«爵4，3*告»岩图4J夕关系曲线体尺度要比大模型所需的大。由图5可见，胃随V/r的增大而增大.说明掺气量随水流素动度的增加而增加，而不管这素动是由于模型比尺的改变或人工加糙的结果.这与上节中的分析是一致的。由图6、7还可看出：如以糙度雷诺数阳为座标.则不同模型资料.可基本点绘成&./云为丹和Re、F的单一曲线。这证明&,具有较充分的综合代表性.也是验证了上节的论断。4关于明的临界值至于模型须要多大，才能基本预报原型通气呢？有以下参考数值：（1）Ku

22、iper在研究螺旋桨空化模拟问题时提出&>600,陆芳""等建议650。（2）由图2可见.达到阻力平方区的临界值是000左右。<3）同图可见，光滑管线（即1线）与阻力平方区线（即I线）的磁差值在515倍范围.平均约10倍.即绝对槌度与层流边界层厚度之比（?）大致为10左右。这专Pinto所提到的f>9的论断是基本一致的。如按此要求计算.则应>2800630（相当于阻力系数f=0.010.2变化范围）。（4）原型、模型资料对比分析。目前能搜集到的原型及其相应条件（即卅相同）的模型通气量系统资料不多，现仅有丰满、白山、冯家山及FozdoAeria

23、4个枢纽的资料，如丰满溢流坝作过1/10,1/20,1/30模型试验，也进行过原型观测.原、模型均有库水位259.17m,单孔流量为254.67及319.92m，/s两组可资对比分析的资料；白山电站作过1/20,1/40,1/70模型及原型观测，有库水位416.51m,Q=306m3./s的完整资料；冯家山泄洪洞下掺气槽有1/40,试验条件上游水位9行3忒验条件上海水位V175m I"模型 I-:若模型*】：必椀型Re图5/?关系啪线1/30,1/20,1/15,1/12共5个模型和原型在O=195n?3/s.342m3/s,446m3/s和548m，/s,4级流量卜的系统资料iFo

24、zdoAeria"1槽有1/8,1/15,1/30,1/50及1/30带加糙的5个模型和原型观测第01组(。=1470m3/s)第06组(。=2090m3/s)及第04ifi(Q=690m，/s)的相应资料。根据上述资料,按Ft相同条件并假设原、模型摧度均相似，整理点绘了*=攵)必关系曲线.如图8。由图可见，处临«图8A&,关系曲线上述资料表明作为初步建议.取期23000是适宜的。5通气量模型设计步骤（1）根据工程规模、泄洪布置、设计参数q及拟设掺气槽处流速r.计算坎顶水深人水流FW等数，并估计原型可能懂度值,计算原型5（2）按拟定模型比尺，并假设其糙度相似,计算模

25、型的在其Q变化范闱）如其最小值满足000,则模型可用以预报原型&（3）如（2）项不能满足.则可适当在挑坎加糙。其槌体尺度以达到上述压.临界值为准。须注意：加槌以采取挑坎局部加糙为好.以免整个坝面糙度太大,阻力不相似，影响其他水力参数（力等）的正确模拟.反而使问题夏杂化；（4）这种除挑坎糙度外的严格几何相似的整体模型包括溢流面槌度、通气孔尺寸、面积、形状等的相似）当可基本正确预报原型通气成。如是断面模型，其通气孔无法相似则可根据设计的原型通气条件.估计原型可能的空腔负压范围，在模型试验中，采取人工控制负压办法进行，也可达到同样的目的。6结论（1）利用孙模型.采取挑坎适当加糙，增加水流紊动

26、强度.以预测原型需气量，在较小尺度的模型上是可能的。它有节省投资并简化试验的优点。（2）用惟度雷诺数&.作为控制指标，是合理可行的。加糙与增大模型流速，具有增加紊动的同等效用。3）所建议模型设计试验程序,可供设计及科研参用。（4）文中所建议任临界值3000,还是很初步的.有待更多原、模型对比资料予以验证、核实或修正。参考文献1夏毓常，韦有忠,王善达高说速水工建筑物上掺气设施掺气最原型观测成果分析VI届受太地区IAHR会议论文集2陈蒙和，稀立，黄文杰挑坎式通气糟原型观测规律的研究北京水电经济管理学院，1985.63弗立.跳坎式通气梢需气虽计算公式的分折泄水工程与高速水破，1991（2）P

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28、fModelConfiguration,FlowConditionsandScaleinModeling按SayanoShoE<*y$俊料CF,混凝土坝面糙度为J-2.31mm,经搜集国内外19个工程单位的施工不平整度控制怵准tE.母定允许不平整度都在V3mm,否则.应该采取磨坡等表面的处理。这说/J=2.34mm是一服符合实际的.整议快估时采用.SpillwayAerationGroove.lntProceedingsofSymp.onSealeEffectsinModelingHydraulicStructures,1984ZagustinK.MantelliniT.Gastille

29、joN.泄水建筑物高速水流情报网译溢洪道掺气水流原型与模型关系的一些实际经验.国际水工模型试验会议译文选染19845 夏毓常.通气减蚀设施原型、模型通气量、空腔长度对比分析.天津勘测设计院科研所工程试验研究报告.19879周林大.王俊达.白山重力拱坝溢流高孔掺气减蚀设施的试验研究及原型观测.水利水电技术，1988.1110PanS&ShaoY.ScaleEffectsinModelingAirDemandofaRampSlot.In：ProceedingsofSymp.onScaleEffectsinModelingHydraulicStructures.19841)李隆瑞.高速水流掺

30、气戒蚀措施及工程应用.西北水资源与水工程，1990.212 VischerD,VoluirtPandSigethalerA.水建筑物高速水流情报网译.明渠陡槽式溢洪道掺气槽的水工模型试验.见：国际水工模型试验会议译文选集，1984BruschinJ.AerationOff-setsforSpillwayChutesandBottomOutlets.In：ProceedingsofSymp.onScaleEffectsinModelingHydraulicStructures.198413 WangShixia.TheAirEntrainingCapacityofSupercriticalFlo

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