舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究

舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究 舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律 研究 106中国农村水利水电?2007年第3期 文章编号:1007—2284(2007)03—0106—04 摘要:孔连续坎虽然具有经济实用,便于施工等优点,但同时也存在下泄水流过 于集中,水垫塘底板冲击压力过 大等问题.针对这一问题,部分项目的前期曾采用舌形坎和短边墙坎来改善水 舌入水流态.但目前还没有公式可 以对这些异形坎水舌扩散进行详细的数值计算.对通过舌形坎和短边墙坎的水舌 流态进行了建模计算,并在对计算数 据进行分析的基础上提出了不同坎形条件下掺气水舌空中横向扩散规律. 关键词:泄洪消能;舌形坎;短边墙坎 中图分类号:TV131.3文献标识码:A DiffusionRegularityofWaterTongueDischargingfrom Tongue-ShapedBucketandAsymmetryBucket ZHANGDong-ming,WANGYuan (1.ErtanHydropowerDevelopmentCo.Ltd,Chengdu610021,China; 2.ManagementDepartmentofTianjinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:Continuousbucketisveryusefulinsurfaceorificebecauseitiseconomicalandeasytoconstruct,butitalsocausessome problemssuchascentralizationofflow,hugeimpactpressureonthesoleplateofwatercushionpondandSOon.Inordertosolve theseproblems,tongue-shapedbucketandasymmetrybucketareadoptedtoimprovethefluidstateofwatertongue,butthereisno availableformulatocalculatethediffusionofwatertonguesofthetwokindsofbucketSOfar.Thepaperestablishesmodelsforthe watertonguefluidstatesofthetwokindsofbucketlips.Thediffusiveregularityofjetflowisput forwardonthebasisofanalysisof thecalculationresults. Keywords:dischargeandenergydissipation;tonguebucket;asymmetrybucket 挑流消能的基本原理就是利用高速水流所挟带的巨大动 能,因势利导将水流挑射至远离建筑物的下游[1],使下落水舌 对河床的冲刷不会危及建筑物的安全.水流在空中及水下射 程中应尽可能分散,以减轻泄流水舌对下游的冲刷.在国内外 众多高坝泄水建筑物中,挑流消能方式的应用最为广泛. 挑流消能的关键之一是挑坎体形的选择.随着坝工建设 的蓬勃发展,各具特色的挑坎体形陆续出现,其中连续坎,差动 坎,高低坎,窄缝坎以及为适应地形变化提出的斜挑坎和扭曲 收稿日期:2006—03—18 作者简介:张东明(1980一),男,助理工程师. 挑坎等应用较广.本文在前人研究的基础上[2],结合国内某大 型电站泄洪消能工程设计实际,对表孑L挑流水舌的横向扩散规 律进行了进一步的研究,并提出了相应的计算公式. 1三元挑流水舌横向扩散影响因素分析 图1给出了表孔体形和挑流水舌参数定义示意.图中各 个符号的意义分别为:R是鼻坎前缘伸出长度,B为鼻坎出口 末端宽度,".,h.分别是鼻坎出口断面平均流速,水位高度,b为 沿水舌抛射方向上的水舌宽度,S为水舌弧线长度;L为挑距. 根据量纲分析白金汉原理,通过对水舌横向扩散计算以及 试验资料分析,认为影响三元水舌空中扩散的主要因素包括: 舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究张东明王媛107 水舌相对宽度b/B;出口断面佛汝德数Fr.一U【】/面;出口 水舌宽深比—B/h.;水舌相对抛射距离一,/,;舌坎前 缘长度与出口宽度的比值一R/B,挑坎扩散角0,挑坎挑角. L 鲁一f(Fr,L一,R一,‰)(1) 至工,一一 图1表孔鼻坎体形和挑流水舌示意图 2模型的建立 2.1实体模型 表孔实体计算模型采用舌形坎和短边墙两种异形坎,按照 原型尺寸建模.模型表孔沿溢流中心对称布置,从岸边至河 中,出口跌坎俯角分别为15.,30.,0.,在平面上采用4.,6.的扩 散角.对于泄流坎前缘长度R分别采用3m,3.5m和4m进 行建模. 各模型如图2所示. (a)表孔舌坎模型 (b)表孔短边墙坎模型 图2表孔泄流坎三维模型 2.2数学模型方程 挑跌流坝面流场的自由面位置,坝面流速,压力分布以及 挑流水舌掺气后的流态等均是工程设计中的必要数据.本文 采用非正交网格控制容积法及e—K二方程紊流模型计算了溢 流坝反弧段的紊动水流.并通过坐标变换,将边界条件复杂的 物理空间转换到形状规则的计算空间,模拟了过坝水流流场. 对于挑流流场自由表面的处理则采用标记网格法. VOF(VolumeofFluid)是处理多相流的一种方法.该方 法在计算域内,对于模型中的每相引入一个变量:相体积分数 F.F是空间和时间的,即F(m,,2,f).在离散网格内,F取 值是网格内各相流体的体积与能够被流体通过的空间体积的 比值.在每一个单元,变量或代表一组,或代表多相.如用Clq表 示单元内第q项流体的体积分数,则一0表示该单元内不含 第q相流体;Ctq一1,表示该单元内仅含第q相流体;若0<%< 1,表示该单元内包含部分该流体,也即该单元内包含第q相流 体与其他流体的交接面. 整个计算域应用一个动量方程,然而求解的速度场包括各 个相.这种按相进行体积平均的处理方法,在相间速度相差很 大时,交接面附近的速度精度会受到影响,因此在相问速度相 差很大的计算模型中,该方法需要做进一步的改进. K方程: ~---t(Pk)@(1D)一l(+)差卜—lDs ,方程: a a--- t (p,)+(1D,一 ?l(+)孑孝+G1e一G 式中:为紊动涡旋粘性系数;为由平均速度梯度产生的紊 动能. 在每一个控制体积中,以上各方程中所采用的流体物理参 数均是各相的体积加权平均值,如对于一个N相的系统,体积 分数的平均密度可以作如下表示: lD一?p一厶Qqpq 其他变量的定义与此同. 2.3离散格式 VOF方法要求通过控制体积的对流与扩散通量在控制体 自身内计算得到,并与源相相平衡.对于VOF模型,有4种计 算面通量的方法,本文采用的格式是其中比较常用的欧拉显 式.对于离散后的代数方程组,采用ADI逐行法进行求解. 收敛准则为所有独立变量的最大无量纲残差小于0.0001,为 了加速计算的收敛速度引入了超松弛迭代因子. 2.4挑跌流泄洪水舌三维数值模拟 应用建立的数学模型,利用VOF方法和,一二方程紊流 模型耦合,同时编制程序保持上游水位恒定的边界条件,研究 拱坝坝身泄洪表孔挑(跌)流水舌的运动参数.选取图2所示 的6种表孔体型,对其泄流水舌给予研究,计算了表孔单独泄 洪的出口流速,入水宽度,入水角度,空中流速,空中扩散宽度 以及入水流速等水力参数,为下一步的公式推导奠定基础. 3不同坎形挑流水舌空中扩散规律 3.1舌形坎挑流水舌横向扩散规律 3.1.1计算结果分析 根据无因次参数组合和试验资料整理,用(6一B)/2L表示 水舌沿抛射方向的横向扩散率;用Fr一Fr.表示出口宽深 比佛汝德数,其物理意义表示出口水舌惯性大小嘲.当水舌经 鼻坎抛出时,在两侧边墙处失去约束,形成水舌,以大于边墙扩 散角的角度横向扩散,在舌坎末端,水流底部失去约束形成水 舌.因此忽略0影响,由式(1)得: 108舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究张东明王媛 一 ,(Fr,L,R,口)(2) L 式中:0t分别取一3O.,一15.和0.. 图3给出了舌坎挑角0t一30.时,(6一B)/2L随F,和 R/B的变化规律曲线.可见,对于任意给定的Fr值,(6一 B)/2L随着R/B的增大而增大,随着的增大而减小,似乎逐 渐达到某一定值.而且对于不同的R/B值,这个定值也不同.当 泄流水舌流至边墙末端,因为失去边墙的约束,一部分水流被 抛射到空中扩散,而另一部分水流继续流至舌坎末端才开始被 抛射扩散.那么在相同的R/B值下,Fr值大,则水舌出口惯性 大,在向各个角度抛射的过程中,其横向扩散率也大. 图3a一一15.时水舌扩散计算及拟合曲线 计算结果显示,当舌坎采用较大的角时,水舌横向扩散 率随着的增大而增加,水舌入水宽度增加明显,经过舌坎被 抛射的水舌可以在空中充分掺气扩散,入水宽度和挑距都会 随着的增加而增加,下游水垫塘的压力相对采用连续坎时大 大减小. 3.1.2舌坎泄流水舌空中横向扩散宽度计算公式 以Fr为参量,和为自变量,(6一B)/2L为因变量进行 回归计算.经资料整理,认为用以下公式进行计算曲线拟合比 较合适: — b--B— AP了L I(3)or,…… A和t可分别表示为以下形式: {[ IY—1+yz~/R+y3R l一 A—A+A2?+A.(4 lFl t—t1+t2?R+t3R 经过二次回归计算得到的系数参见表1. 3.2短边墙坎水舌纵向扩散规律 为了减轻下泄水流对水垫塘的冲击压力,不仅要保证水舌 在横向上有较大的扩散率,还要尽量使水舌入水时在纵向上拉 开,这样可以使水舌在空中充分掺气扩散,并且可以保证水舌 入水面积加大,进一步减少水舌的冲击压力. 表1a=一15.时舌坎水舌横向扩散公式(3),(4)中的系数 A1A2A3tlt2t3 11.76 1O.14 9.46 18.66 21.06 42.19 设z为挑坎水舌中心高程与下游水位高程之差,R为短边 墙坎伸出长度,T为任意一个高程上的水舌纵向宽度,而曰一 4/7.经过资料整理,认为任意高度上的水舌纵向拉开长度 满足以下公式: r7 专一f(Fr,,R)(5)厶,0 图4给出了丁/Z随F,曰和R/B的变化规律曲线. 以Fr为参量,和曰为自变量,丁/Z为因变量进行回归计 算.经资料整理,认为用以下公式进行计算曲线拟合比较合适: 一v+Ae一(6)—一十AfO 其中: rY—1+2R+y3R A—A1+A2+A3(7) lt—t1+t2+t3. 计算所得系数见表2. 图5,图6给出了典型的舌坎及短边墙坎下泄水舌空中流 态图. 图4Fr一0.2362,Fr一0.109,Fr=0.0918时的水舌扩散 ?吨塌吡 曲 m ?捣也伽 罢8 阻 n ? 捣 捣" 舌形坎与短边墙坎泄流水舌空中扩散规律研究张东明王媛109 图5舌形坎泄流水舌流态 图6短边墙坎泄流水舌流态 从图6可以看出,短边墙坎水舌入水形状近似呈一条斜 线,随着上游水位的减少,水舌厚度逐渐变薄.当上游水位降 到一定程度时,水舌开始出现断裂.这是因为挑流的水舌变薄 后,水舌内部的张力小于水舌与空气的摩擦力,水舌从外部开 始逐渐撕裂,在水舌接近水塘水面的时候,大部分的水舌已经 完全断裂,成为水雾状. 4结语 本文对采用不同坎形泄流时的三元水舌进行了计算研究, 分析了表孔水舌横向扩散宽度的变化规律,探讨了挑角,前缘 长度以及出口水位对水舌横向扩散的影响,给出了计算舌坎表 孔水舌横向扩散宽度的半经验半理论公式,主要为式(3)和式 (4),该公式也适用于文中提到的短边墙坎. 在采用舌形坎情况下,水舌横向扩散率随出口宽深比佛汝 德数,水舌挑射距离,出坎挑角a以及舌坎前缘长度而定.宽深 比佛汝德数越小,舌坎前缘长度越短,扩散距离越长,a角越小, 计算出来的扩散值越小.因为水舌的横向扩散宽度增长速度 没有水舌抛射距离增长速度快,水舌横向扩散率沿程减小,但 绝对横向宽度增大. 文中还对短边墙泄水水舌的纵向扩散长度进行了研究,给出 了半经验半理论公式,主要为式(6)和(7).短边墙出流水舌的纵向 扩散长度沿水舌抛射方向逐渐增加,在入水时达到最大值.口 参考文献: Eli尤季斯基rA.水流动水压力对溢流坝挑流鼻坎下游河床影响的 模型试验和原型观测[A].长江水利水电科学研究院.高速水流译 文集[C],北京:水利电力出版社,1979. [2]孙建.高拱坝坝身泄洪消能防冲研究[D].北京:清华大学水利 水电工程系,2001:38—4O. [3]姜信和,挑射水股分散掺气及其水下扩散的试验研究[D].北京: 清华大学水利系,1980:12. [4]吴持恭,杨永森,空中自由射流断面含水浓度分布规律研究[J]. 水利,1994,(7). [5]艾克明.拱坝泄洪与消能的水力设计和计算[M],北京:水利电力 出版社,1987. (上接第105页) 表6箐门水库大坝各区土料的物理力学指标计算统计表 根据l5]要求并结合箐门水库的运行状况,拟定了18 种计算工况,并按规范推荐采用毕肖普法进行计算. 通过计算,箐门水库上下游坝坡均存在抗滑稳定安全系数 小于《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)要求的工况,说明 大坝抗滑稳定性较差l1],这主要与上坝土料级配差,施工碾压 不密实,坝体沉降变形较大等因素有密切的关系.为确保水库 的安全运行,应尽快对大坝进行加固处理. 3结语 从箐门水库大坝安全评价分析来看,土粒比重值的应 用贯穿于大坝病害及病因分析的全过程. 土粒比重值不仅是计算土的三相比例指标的基础依 据,也是在土体密实度,颗粒组成,压缩特性,渗透变形及抗滑 稳定性等方面分析中必不可缺的基础参数.所以,在大坝安全 评价分析中,为了能切合工程实际准确探明大坝的病害及病 因,进行土粒比重值的准确测定及选用是非常必要的,对这一 点,我们工程设计人员应引起足够的重视.口 参考文献: [1]龚爱民,彭玉林,邱勇.箐门水库大坝安全鉴定报告[R].昆明: 云南农业大学水利水电设计研究所,2002. [2]SL258—2000,水库大坝安全评价导则[s]. [3]陈仲颐,周景星,王洪瑾.土力学[M].北京:清华大学出版社, 1994. [4]SI237—1999,土工试验[s]. [5]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[s]. [6]GB50287—99,水利水电工程地质勘察规范[s].