溢洪道曲面贴角鼻坎脉动高压特性分析

溢洪道曲面贴角鼻坎脉动高压特性分析

1解决消能问题和目作为主要的排水建筑物，溢流道的出口和水位可根据两种配置方式进行配置：一种是与河流轴之间的一定角度，另一种是与河流轴平行的。对于第一种布置方式,当夹角角度不大时,采用窄缝或连续式挑坎都可以解决泄洪消能问题,当夹角角度过大或出现第二种布置方式时,简单的窄缝或连续挑坎都不能解决水流的导向消能问题。曲面贴角鼻坎作为一种使高速水流有强烈导向作用的消能工,对该问题的解决提供了一定参考依据,但解决消能问题的同时也带来另外一个问题,即鼻坎高压振动问题。使鼻坎产生高压振动的一个主要作用力,就是水流在鼻坎上较大脉动压强作用问题。因此研究鼻坎水流脉动压强特性就具有一定的重要意义。本文通过对已建工程原型脉动压强资料分析,对曲面贴角鼻坎的脉动压强特性进行了具体分析,并在分析基础上,结合模型试验资料对脉动压强相似性问题进行了对比分析。2鼻坎和折流器某工程枢纽由大坝、泄水建筑物和电站三部分组成,泄水建筑物由坝身泄水孔和岸边溢洪道组成,溢洪道位于左岸边。由于受枢纽布置及出口消能等因素的影响,溢洪道体型比常规体型较为复杂,竖向有两个渥奇面及一个变坡,水平向收缩后又旋转,出口使用了曲面贴角鼻坎和折流器,鼻坎体形如图1所示。在鼻坎前后,高速水流边界体形发生突变,为了对突变处水流脉动压强特性进行研究,先后通过模型与原型,分别对水流脉动压强进行了观测。3动脉高血压分析3.1测试结果分析原型观测测点布置如图1所示。考虑到溢洪道a-a断面是边墙曲线变化的一个奇点,即边墙旋转的同时,从顶部到底部,曲率半径不断减小。体型变化必然伴随高速水流特性的变化,所以脉动压强观测测点主要分布于鼻坎近底部的边墙上。其中1#、2#、3#测点主要是为测试脉动压强随高程的变化分布规律而设,2#、4#、5#测点是为寻找近底部脉动压强分布规律而设。观测共进行多组测试记录,通过对测试结果分析发现,仪器所采集数据基本稳定,同一测点最大与最小之差不超过2%,避免了仪器或水位不稳定对测试结果的影响。为了对测点处原型压强变化情况进行对比分析,将各测点时均压强与脉动压强、紊动强度分布进行汇总如图2所示。其中紊动强度即脉动压强与时均压强之比的百分数。3.1.1水体帮助部位从图2中可以看出,近底部2#、4#、5#点时均压强比其上部对应点稍大一些,近底部靠近拐点的2#点比鼻坎上的4#、5#点大一些。时均压强出现这一分布规律的主要原因在于拐点处边界对水流的作用力。2#测点处于边界的导向圆弧上,水流出现离心力作用,流速被减小,动水压强增加。从能量转化的角度分析,即动能转化成压能,所以2#点时均压强比较大。而后面的溜槽与鼻坎又迫使水流在横向收缩的同时,纵向拉开,特别是溜槽的出现,水流流场发生较大变化,迫使水流纵向下降的趋势势必导致水流流速增加,流速增加必然出现压强沿程减小的趋势,所以4#、5#点相对于2#点压强有所下降。所有测点时均压强变化规律与体型变化规律基本一致。3.1.2u3000紊动强度及沿程增加从图2中各测点脉动压强分布情况看,脉动压强比较稳定,基本分布在30kPa左右,没多少变化。结合时均压强与脉动压强值进行水流紊动强度的统计计算,计算结果如图中水流紊动强度分布规律所示。从图2中可以看出:2#测点虽然压强最大,但其紊动强度却最小,处于各测点中最高位置的1#测点虽然压强最小,但其紊动强度却最大。近底部紊动强度有沿程增加之趋势。文献对紊流脉动流能量方程进行讨论后得出如下结论:紊动就要不断耗散能量,而为了保持紊动,就要不断向其提供能量,提供能量的方式就是时均流通过雷诺应力进行传递。即时均流能量减小,脉动流能量增加。此处1#测点靠近水面,压强较小,水流掺气较多,涡旋比较剧烈,导致紊动强度加剧;而近底部水流时均压强较大,紊动强度却比较小。随着测点位置向下游的推进,在鼻坎附近,水流又出现纵向拉开之趋势,临空面增加,掺气随之增加,则时均压强不断减小,时均流所具有的能量必然下降,紊动强度又呈现增加趋势。这一变化规律符合水流边界的变化,即鼻坎前到鼻坎中水流紊动强度随着体型不断变化呈现交替变化规律是合理的。从图2中还可以看出,所测各点最大紊动强度均不大于10%,比较小,说明鼻坎处水流脉动压强对建筑物安全运行不会产生影响。3.1.3壁压脉动参数特征频谱特性是水流脉动压强分析的一个重要方面,合理的频域范围和结构对建筑物安全具有非常重要意义。频域范围即通常所说的优势频率,频域结构即频率类型。优势频率的计算一般有两种,一种是以大于或等于最大谱密度值的1/2为界限进行确定,另一种是以大于或等于谱密度曲线中面积的1/2为界限进行确定,两种方法无本质区别。此处以大于或等于最大谱密度值的1/2为依据进行统计。各测点频率特征参数统计如表1所示。文献指出:壁压脉动分为两种,一种是均匀流和渐变流边界上的脉动,一种是流态突变边界上产生的脉动。前一种脉动主要受小涡旋影响,频域结构为高频、多峰、低幅脉动,后一种受大尺度涡旋影响,频域结构多呈现低频、单峰、高幅脉动。通过表1可以看出,此处水流基本上属于低频大尺度脉动,且各测点的频域变化规律与图2中紊动强度变化规律比较一致。1#测点紊动强度最大,其优势频率范围最小,为单峰脉动;近底部2#、4#、5#测点优势频率范围较大,呈现双峰脉动。该频率特性不会与建筑物自振频率发生耦合共振,因此对建筑物结构安全也不会产生影响。3.2原生长规律和模型测试结果试验在1∶50模型上进行,测点与原型位置基本相同,压强测试结果按重力相似准则换算到原型,分布如图2所示。试验是按标准工况库水位进行测试,而原型是按观测时水库实际水位进行测试,所以原型库水位比模型测试工况高约1m,测试结果会出现一些差异。模型时均压强、脉动压强、紊动强度分布规律如图2中所示。从图中可以看出,模型时均压强与原型时均压强分布规律基本一致。模型水位比原型低约1m,在边界相对突变不大的1#、3#测点,模型时均压强比原型小,在边界突变比较大的2#、4#、5#测点,时均压强比原型还大。这些变化都顺应了高速水流流场的变化规律。脉动压强分布规律与原型相同,但总体幅值比原型小,大约只有原型的40%～50%。一方面有水位的影响,另一方面可能也有测试差别、甚至于相似性的影响。由于脉动压强的减小,水流紊动强度也出现了一些差异。强度幅值约占原型的40%～50%,分布趋势比较一致。由于频率的相似性问题争议比较大,所以只对模型频率进行汇总,如表2所示。对比表2与表1的测试结果可以发现,原型与模型的频率分布特性比较接近。如果按重力相似准则将表2数据进行换算,反而与原型出现较大差异。即模型与原型可能存在频率比尺λf=1的结果。此处,通过原型与模型的对比发现,压强有一些差别,这主要在于原型与模型水位不一致,但总体趋势比较一致。而优势频率与主频基本上都相近(不包括5#测点),都在低频范围内。即曲面贴角鼻坎脉动