低弗氏数下水流消能特性研究

低弗氏数下水流消能特性研究

目前，我国科学家在消能防冲、防汛等方面取得了大量研究成果，解决了许多高流量头和单用宽流量枢纽的洪水消能问题。随着水电资源的开发,水头较高的水电站的开发会越来越少,低水头电站的开发将成为水电建设的重要方向。低水头电站泄洪水流弗氏数一般较小,易形成波状水跃,消能率不高,大量未消耗的余能会给下游河岸、河床稳定带来威胁。再者,泄水调度通常要求对称开闸泄流,然而对于一些小型水电工程,往往因拉沙、运行方便等原因,不得不开启靠近电站进口附近的闸孔,形成消力池内不对称的来流,使出池水流分布不均、能量集中,对下游河床的稳定极为不利。因此,开展低弗氏数下的水流消能特性研究,开发经济方便的新型消能工,对目前大力提倡的小水电开发具有重要意义。1试验布局1.1模型试验装置及模型消力池模型试验,在重庆交通大学重庆市水利水运重点实验室渠化厅的0.31m水槽中进行。水槽断面为矩形,尺寸为14.40m×0.31m×0.30m(长×宽×高),最大流量0.0225m3/s,水槽侧面和底面为有机玻璃。为保证坝前水流平缓,坝前引水段较长。模型试验的整个循环装置包括:水库、泵站、平水塔、三角形薄壁量水堰、消能池、稳流前池、0.3m直道水槽、稳流尾池、尾门和回循环水廊道等。来流的流量由阀门、三角形薄壁量水堰及一个可以精确到0.1mm的水位测量装置控制。水槽的末端设有活动尾门来调节下游水深,用精确到0.1mm的水位测针来控制下游水位。尾水为自由出流。试验模型由上游水库、折线实用堰、光滑斜坡段、消力池、辅助消能工、尾坎组成。模型中坝高0.08m,闸孔宽0.075cm,共3孔,本文研究的来流条件为非对称,因此试验时只开1号孔。消力池顺水流方向长0.42m,宽0.31m。在消力池尾部设置尾坎,坎高0.03m(见图1)。1.2辅助消能工布置为了对不同形式的辅助消能工进行对比试验研究在试验过程中,需要改变辅助消能工的形式和布置方式,因此选用了旋桨式消力墩、消力坎、常规消力墩、旋桨组合消力墩等。图2为3种非连续消能工的实物图,从左至右依次为旋桨组合消力墩、旋桨式消力墩、常规消力墩。1.3旋桨式消力墩的结构布置(1)来流条件Fr1。在未加设辅助消能工时,低弗氏数水跃是工程中应加以重点防治的水流流态。本文采用的4级流量所对应的弗氏数均属于低弗氏数范畴,各级流量与水位对应关系见表1。(2)消能工参数。除了消力池尺寸不变以外,各种辅助消能工迎水面的位置一样,距离消力池池首15cm。研究消力坎时,其厚度保持在2.5cm不变,而高度从1.5cm逐渐增加到4.5cm,共4种高度,分别为1.5,2.5,3.5cm和4.5cm。研究非连续型辅助消能工时,提出了3种不同消力墩的3种布置形式。试验方案对应的编号见表2。由于旋桨式消力墩的尺寸已固定,直径为5.5cm,因此常规消力墩的宽度也选为5.5cm。由前人的研究结果可知,常规消力墩高度稍大于尾坎高度,消能效果较好。故在常规消力墩试验和旋桨组合消力墩试验时,消力墩的高度都为3.5cm。1.4辅助消能工前后断面位置试验的测量区域断面布控情况如图3所示。0-005、0-050及0-100断面是为验证上游来水的平稳性,以更准确地模拟天然河道来流。0+00为池首断面(1号),辅助消能工前后各5cm处,定义为0+10断面(2号)、0+22.5断面(4号);测量水位时,在辅助消能工附近还设置了一个断面,定义为0+16.5断面(3号)。尾坎轴线上定义为0+41断面(5号,代表尾坎顶断面)。在尾坎后5cm和20cm处分别设布控断面一个,以观察水流出消力池后的泄流情况,上述2个断面依次记录为0+47断面(6号)、0+62断面(7号,代表与下游水流衔接状态)。流速测量采用三点法,自水面从上往下分别记为v0.2、v0.6、v0.8。2消能试验，旋转消力台2.1旋桨式消力墩前后和能量损失系数水流在旋桨式消力墩的阻挡下,主流迅速发生横向扩散,消力池中回流范围减小,出池水流较平顺。水流流经旋桨式消力墩后,流向发生改变,实现流速分布调整,且水流冲击旋桨式消力墩旋转会消耗部分动能(见图4)。对比横断面流速分布(见图5,6),可知加设旋桨式消力墩后,垂线平均流速在横向上的分布更均匀了,最大流速平均减小15%~39%。分析临底流速的纵向分布得知,加设旋桨式消力墩后最小流速有所减小,且发生的位置提前了,回流范围明显减小且强度显著变弱。加设旋桨式消力墩后,水跃的位置发生了变化。方案0的水跃发生在尾坎附近,因此统计的水跃顶点水位为尾坎处的水位,即统计的水跃顶点为距离消力池首41cm的尾坎处测点。加设旋桨式消力墩后,水跃的位置发生改变,水跃顶点为距离消力池首16.5cm,备注的数据为无辅助消能工时距离消力池首16.5cm测点的水位(见表3)。通过底流流速系数定量分析了底流在垂线平均流速中所占的比例。加设旋桨式消力墩后,底流流速系数变小了,流速的垂向均方差、横向均方差整体也减小了,特别是消力池左侧的垂向均方差减幅平均达50%。底流的横向均方差平均减小了约55%;加设旋桨式消力墩后水流的流速重心靠近水槽中心线。加设旋桨式消力墩后,单股水流的动能急剧减小,动能最大值的最高减幅为76.91%,平均减幅52.32%。0+22.5断面最大动能的减小尤为显著,平均减幅达65.89%。与方案1相比,方案2、3的减幅分别增加了10.57%,16.14%,方案2在方案1的基础上提高了23.94%,而方案3在方案2的基础上只提高了10.54%。在低弗氏数下,消力池中加设旋桨式消力墩后,能量损失系数明显增大,从无辅助消能工时的0.277增大到了0.395,0.423,0.426,消能效果提高了49.87%。说明加设旋桨式消力墩后,能量转换途径发生了改变,动能更多地转化为热能而耗散。2.2辅助消能工主要作用区域内流场分布图7展示了4种辅助消能工下的消力池内水流流态。从图中可看出,消力坎将主流雍得最高,水流在翻越消力坎的时候迅速扩散开来;常规消力墩、旋桨组合消力墩对水流的阻拦作用相当,稍逊于消力坎;旋桨式消力墩对高速水流的拦截作用显然次于其他的辅助消能工。纵使4种辅助消能工下消力池内的流态不尽相同,水流出池时已比较平顺。从辅助消能工主要作用之一的流速调匀效果来看,其优劣次序为消力坎、旋桨组合消力墩、常规消力墩、旋桨式消力墩。尾坎断面的最大流速相对比值为0.83∶0.84∶0.87∶1.00,流速极差相对比值为0.33∶0.71∶0.78∶1.00;底流横向分布均方差相对比值为0.12∶0.44∶0.42∶1.00,表流为0.77∶0.76∶0.86∶1.00。消力坎调匀效果具有明显优势,而单设旋桨式消力墩的流速调匀效果相比其他型式消能工还有较大差距。从辅助消能工关键作用的消能效果分析,各种辅助消能工以及各级流量的能量损失系数相差很小,在0.387~0.472之间变化。相比较而言,消力坎的能量损失系数稍大,大约高出5.23%,其他3种辅助消能工基本相当。在常规消力墩前加设旋桨后,在垂向调流效果方面优于其他辅助消能工,并能在一定程度上减弱单股动能,调匀流速横向分布,但效果不甚明显。3流速均匀性综合评价结果(1)在非对称来流条件下,通过消力池及出池水流的流态、单股水流最大动能、流速分布、流速均方差、流速重心、能量损失系数等对比分析,表明消力池内加设旋桨式消力墩后,水流调匀效果十分明显,消能效果显著提高。出池最大流速最大可减小30%,临底流速可减小40%~60%,表征流速分布均匀性的流速均方差减小约50%,平均能量损失系数从无辅助消能工的0.277提高到0.395~0.426,单股水流最大动能急剧减小,最高降幅达76.91%,平均降幅52.32%。(2)通过多种辅助消能工对比试验,综合分析消能工流速调匀和消能效果,其优劣次序为消力坎、旋桨组合消力墩、常规消力墩、旋桨式消力墩。出池最大流速相对比值为0.83∶0.84∶0.87∶1.00,底流横向分布均方差相对比值为0.