裴少鋒,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學建設工程學部,遼寧大連 116024)

閘前漩渦水力特性及形成條件的試驗研究

裴少鋒,劉亞坤,倪漢根

(大連理工大學建設工程學部,遼寧大連 116024)

結合實際工程,利用水工模型試驗研究了閘前漩渦的發(fā)生規(guī)律和水力特性。試驗研究表明,在閘門開度較大的工況下,才會出現(xiàn)嚴重的間歇吸氣漏斗漩渦。而在閘門開度一定的情況下,閘前漩渦強度隨淹沒深度變化較為明顯:當淹沒深度趨近于某一值時,此時的漩渦強度存在極大值,小于或者大于這個淹沒深度,漩渦的強度都會有不同程度的減弱,甚至消失。從理論上探討分析了間歇吸氣漏斗漩渦的形成條件。這些成果可為閘前漩渦消除措施的工程設計提供參考。

水工模型試驗;閘前漩渦特性;發(fā)展規(guī)律;理論分析;形成條件

0 引 言

以前,漩渦的大部分研究是在導流洞、抽水蓄能電站和水電站等泄水、引水建筑物進水口前。它們有共同的特點:高水頭;洞室或管道內一般是有壓流;正常運行時一般是滿開度狀態(tài);這些進水口前一般只有一個漩渦,且范圍較大等。試驗研究的內容主要包括進水口前漩渦形成機理及其影響因素、縮尺效應和消渦措施等。本文所要研究的是閘門前漩渦。閘孔屬于側部進水口,其水頭較低;一般是無壓流;正常運行時,需要開啟或關閉閘門,而且根據運行工況還要確定閘門運行方式(開度大小、水位高低等),不同的運行方式會直接影響閘門前是否會產生漩渦;產生的漩渦是成對的,即一個局部開啟的閘孔前有兩個漩渦;由于閘室尺寸的限制,這種漩渦的范圍不大,一般在靠近檢修閘門槽的位置形成,隨水流游移到閘孔上方“30°三角形區(qū)域”[1]。若是產生吸氣漏斗漩渦(有的文獻稱之為“有害渦”[2]),勢必會造成惡化進水口流態(tài)、減少進水口流量、發(fā)出巨大聲響、引發(fā)閘門震動和威脅水工建筑物安全等嚴重危害[2-6]。為了減少或避免有害渦的危害,有必要對閘門前漩渦的生成原因、發(fā)展規(guī)律及其特性進行研究,并積極從理論上尋求消除吸氣漏斗漩渦的形成條件。

1 工程概況

某水利樞紐工程水庫正常蓄水位739.00 m,總庫容24.19×108m3,正常蓄水位下庫容20.45×108m3,死水位680.00 m,死庫容1.27×108m3,攔洪庫容2.85×108m3。水庫校核洪水位(P=0.02%)、設計洪水位(0.1%)分別為743.61 m和741.68 m。該工程下游有“635”水力樞紐工程,考慮下游工程的安全,要求本工程安全泄量1 750 m3/s,最大泄量不得超過3 077 m3/s。

該樞紐工程為Ⅰ等大(1)型工程,主壩、副壩、泄水建筑物及發(fā)電洞進水塔為1級建筑物。主壩最大壩高121.50 m,副壩最大壩高14.00 m。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、溢流表孔、泄洪中孔、放水底孔、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房和副壩組成。溢流壩段、中孔壩段及底孔壩段布置在主河床左側,溢流壩段共布置4個表孔,共5個壩段,每個壩段寬15 m,每孔凈寬12m,邊墩厚3 m,中墩厚3 m,基礎底高程624.00 m。溢流面下游每孔之間均設分區(qū)導流墻,共3道,導流墻厚度由3m漸變至1.5 m。溢流表孔堰型采用實用堰,堰頂高程730.0 m,堰頂下游段堰面曲線采用冪曲線,方程為Y=0.0568?X1.85。

2 閘前漩渦特性的試驗研究

本文利用比尺1∶150的正態(tài)模型,參考1∶30的模型試驗,觀察、比較分析了該工程表孔溢洪道原方案和優(yōu)化方案中閘門前漩渦形成原因、發(fā)展規(guī)律及其消除措施。模型設計遵循重力相似準則。

在盡量保證減弱對實際進流條件和流量影響前提下,模型截取了溢流堰的一部分和其中一中孔閘門,試驗在寬0.15 m,長3.0 m的水平水槽中進行。因為是一中孔,中孔凈寬加上兩邊閘墩厚度,模型總寬度為0.12 m。安裝時,水工模型中軸線與水槽中軸線一致,來流方向與閘孔軸線方向平行。安裝好的模型如圖1所示。

根據閘門運行方式,進行了閘門開度對應各特征水位的試驗,各工況下的閘前水力特性如表1所示。試驗中,水面線、斷面流速和流量的測量分別采用水位測針、南京水科院研制的便攜式流速儀和電磁式流量計。

圖1 安裝好的水工模型圖

在閘門前,行進水流受邊界條件制約,發(fā)生縱向和橫向的突然收縮,水流能量隨之發(fā)生較大的變化。水流行進至閘孔處,由于斷面進一步收縮,底層流速增大,動能增加,而表層水流受到弧形閘門阻滯,流速減小,動能轉化為勢能,從而在弧形閘門前形成水位壅高的滯水區(qū),其大小、形狀與周圍建筑物邊界、進水口形式等密切相關[4]。滯水區(qū)水體因閘門局部開啟大小和庫水位高低變化的影響而大致呈現(xiàn)出以下兩種不同的水流流態(tài)(由示蹤墨能清楚地發(fā)現(xiàn)):

(1)滯水區(qū)水面波動微弱。當閘門開度e較小(以e=2 m為例),庫水位H相對較大(以H=741.68m為例)時,庫內水面線水平,流速不大。即使在進入閘室后,雖受到堰和兩側閘墩的縱向、橫向收縮作用,流速大大增加了(流速分布不均勻:下層水流流速明顯大于上層水流流速),但是水面線卻沒有明顯變化,閘室內水流表面波動微弱。在剛進入閘室時的左邊、右邊閘墩墩首各有持續(xù)的環(huán)流發(fā)生,環(huán)流方向固定,分別為逆時針和順時針。閘室內滯水區(qū)水面形成了大面積回流區(qū),大致的旋轉方向分別為閘室左邊逆時針、右邊順時針,偶爾還會出現(xiàn)轉向相反的回流,回流強度相對較弱。閘墩首的環(huán)流隨水流逐漸游移到閘孔上方,并持續(xù)加強形成表面凹陷漩渦,如圖2所示。其大小和方向均不固定,渦深很淺(從側壁觀察,如圖3所示),基本不吸氣,為1和2型漩渦,無危害。

表1 閘門局開對應特征水位下的閘前漩渦水力特性

圖2 e=2m,H=741.68 m時閘前漩渦俯視圖

圖3 e=2m,H=741.68 m時閘前漩渦側視圖

(2)滯水區(qū)水面波動劇烈。當閘門開度e較大、庫水位H不超過校核水位,以e=7 m 、校核洪水位H=743.61 m為例,其三視圖如圖4所示。此工況滿足孔流型式,從閘墩墩首開始的閘室內,水面線驟降,最低水位出現(xiàn)在檢修閘門槽附近,閘室內水面波幅大,達2.0 m。這與1∶30模型試驗中的試驗現(xiàn)象基本一致:表孔大開度、高水頭運行時(閘孔出流),弧形閘門前的水位波動較大,發(fā)現(xiàn)漩渦,如閘門開度為8 m、庫水位為743.61 m時,弧門前水位波動幅值約為2.0 m[8]。透過有機玻璃水槽能清楚地發(fā)現(xiàn),水面劇烈波動導致局部點出現(xiàn)下凹。這些凹陷為漩渦的形成提供了“有利”條件[7,9]。時降的“擴大三角形區(qū)域”(“1”-閘孔上方三角形區(qū)域+“2”-閘孔前方30°三角形區(qū)域[1],如圖4所示)水流與正面來流相向而行。在水位最低處,基于實際水流的粘性作用,再加上正向、反向和橫向水流的綜合影響,閘室進口的流速分布極不均勻(中間層流速明顯大于兩側邊界層流速)。由此,將導致較大的速度梯度及閘前擴大三角形滯水區(qū)水流層間發(fā)生剪切力不平衡,從而產生了一定的環(huán)量[3],并引發(fā)初始漩渦。正面來流能量大于閘室內波動的時降水流能量,迫使閘室水體上壅,形成時壅水流——爬坡。初始漩渦也隨著時壅水流從檢修閘門槽附近游移到閘孔上方。同時,由于閘孔的高速泄流作用,閘孔上方水體受下曳力作用[2]明顯,已經處于失穩(wěn)狀態(tài)。再加上重力的主導作用,擴大三角形區(qū)域水流有向進水口運動的加速度,使水體處于復雜的三維流場中。初始漩渦也由表面凹陷逐漸加深,并最終發(fā)展成間歇吸氣漏斗漩渦(旋轉方向:閘室左邊逆時針、右邊順時針,如圖5所示),在閘孔上方三角形區(qū)域消失,如此往復。漩渦的持續(xù)時間較長,間歇吸氣,吸氣頻率大,與5、6型漩渦類似,屬于強漩渦。此類漩渦惡化閘孔水流流態(tài),吸入的氣體通過閘門底緣后順水流而下,隨機在堰表面和靠近閘墩處潰滅,并發(fā)出響聲,引起水流波動和建筑物振動,危害很大,如圖6所示。

圖4 閘門開度7 m,庫水位743.61 m時三視圖

圖5 e=7m,H=743.61 m時閘前漩渦俯視圖

當然,也有水面線下降不大,但水面劇烈波動的情況(限于大開度大流量情況下);同樣,在小開度小流量情況下,也存在水面線下降明顯,而水面波動微弱的情況。但是不論什么情況,閘前漩渦總是或弱或強地存在,試驗表明:閘前漩渦在閘門開度一定的情況下,漩渦強度隨淹沒深度變化較為明顯,當淹沒深度趨近于某一值時,此時的漩渦強度存在極大值,小于或者大于這個淹沒深度,漩渦的強度會有不同程度的減弱,甚至消失。

3 間歇吸氣漏斗的影響因素及成因分析

由于漩渦運動的復雜性及邊界條件的多變性,目前對漩渦問題尚難提出理論上的精確解。

圖6 e=7m,H=743.61 m時閘前漩渦側視圖

為了研究如何消除閘門前的吸氣漏斗漩渦,首先必須分析其形成條件。綜合現(xiàn)有研究成果及試驗研究現(xiàn)象,在閘門開度e一定的情況下,是否發(fā)生漩渦受多方面因素影響[1-7,9-10]:進水口邊界條件,相對淹沒深度H/e和流體特性(黏性參數Re、表面力參數We),重力參數Fr及環(huán)流參數Nr等。對于實際工程而言,一般雷諾數和韋伯數都足夠大,故可忽略不計。因此影響漩渦的主要因素還是進口形式、相對淹沒水深和弗汝德數,也有部分包含了環(huán)量數。若以φ表示漩渦的強度參數,則:

φ=f(進水口形式,S/e,Fr=v/ge,NΓ= Γe/Q)式中:S為淹沒水深;e為閘門開度;v為進水口流速;Q為流量;Γ為水流的初始環(huán)量常數。

閘前漩渦是閘門前邊界條件、閘門開度、淹沒水深、糙率、流量等多種因素綜合作用的結果。下面我們來分析吸氣漏斗漩渦形成條件。若是在水位和閘門開度都一定的情況下,倪漢根[10]認為,漩渦的發(fā)展(穩(wěn)定,擴展,還是消滅)取決于?p2/?Z|r=0的大小。其分析如下:吸氣漏斗漩渦類似于一個中空的倫金組合渦[11],由自由渦和強迫渦組成,如圖7所示。當然,水平進水口前的吸氣漏斗漩渦,由于渦管拉伸、彎曲,實際上比倫金組合渦復雜得多。我們不妨設漩渦的渦核半徑為rm=a(非常數),環(huán)量為Г,則當r＞a時,水流的運動是無旋的,為自由渦運動(虛線部分);當r≤a時,流體像剛體一樣以角速度ω(ω= Γ/(2πa2))旋轉,為強迫渦運動(實線部分)。圖中,a2ω2/g為渦深,用ZA表示,即ZA=a2ω2/g,則核內、外壓強可確定如下(假定吸氣漏斗漩渦為豎向):

圖7 倫金組合渦模型

理想流體(粘性系數μ=0)在正壓且外力有勢的條件下,滿足拉格朗日定理,即渦旋保持性:有旋則永遠有旋,無旋則永遠無旋。而在實際流體中,漩渦在粘性(μ≠0)、斜壓和外力無勢的作用下,隨著速度環(huán)量 Г的變化而產生、發(fā)展和消失,渦旋的保持性不復存在。渦旋在粘性流體中擴散[12]——渦旋強的地方將向渦旋弱的地方輸送渦旋,直至渦旋強度相等為止。并且由于渦旋的能量耗散和紊流的脈動作用,渦旋甚至會很快消失。若有持續(xù)提供渦旋能量的源,漩渦必定會再次產生、發(fā)展和消失,周而復始。間歇吸氣漏斗漩渦由此形成。

4 結 論

本文采用模型試驗觀察和理論分析相結合的方法,結合實際工程,研究了側部表孔閘前漩渦的形成原因、發(fā)展規(guī)律及其水力特性。試驗表明:在閘門大開度工況下,才會經常出現(xiàn)具有危害的間歇吸氣漏斗漩渦。而在閘門開度一定的情況下,閘前漩渦強度隨淹沒深度變化趨于正態(tài)分布。閘前漩渦的發(fā)生受邊界條件、淹沒水深等眾多因素的影響。這些因素導致閘室進口處的流速分布極不均勻(中間層流速明顯大于兩側邊界層流速)。由此產生的速度梯度引起了一定的初始環(huán)量,漩渦由初始的表面凹陷逐步發(fā)展成間歇吸氣(5型漩渦為主)。最后從理論上分析探究了間歇吸氣漩渦的形成條件、發(fā)展增強和擴散消亡的規(guī)律。本文關于閘前漩渦的發(fā)生規(guī)律和水力特性的研究成果為進一步研究閘前漩渦的有效消除措施提供了可靠的資料,具有一定的理論和實際意義。

[1]福原華一.抽水蓄能電站進水口、泄水口的水力設計[J].日本電力土木,1969,(7):48-57.

[2]嚴根華,陳發(fā)展,胡去劣.進水口漩渦及消渦柵試驗研究[C]//水力學與水利信息學進展,2007:329-334.

[4]鄧淑媛.泄水建筑物進口水面漩渦的形成及其克服方法的探討[J].水利水運科學研究,1986,(4):51-63.

[5]鄭雙凌,馬吉明,等.進水口漩渦特性及臨界淹沒水深的研究進展[J].南水北調與水利科技,2010,8(5):129-132.

[6]高學平,杜 敏,等.進水口隨機出現(xiàn)的漩渦試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2009,28(4):137-142.

[7]Knauss J.Swirling flow problems at intakes[M].USA:IAHR hydraulic structures design manual,1987.

[8]劉亞坤,倪漢根.新疆喀喇塑克水利樞紐斷面模型試驗報告[R].大連:大連理工大學,2007:47-48.

[9]杜 敏.進水口漩渦形成機理及縮尺效應[D].天津:天津大學,2008:5-10.

[10]倪漢根,楊玉慶.消除進水口前旋渦漏斗的一個方法[J].水利學報,1986,(12):52-56.

[11]戴 萊 J W,哈里曼 D R F.流體動力學[M].郭子中,陳玉璞,等譯,北京:人民教育出版社,1981.

[12]吳望一.流體力學[M].北京:北京大學出版社,2004:221-223.

Experimental Study on Hydraulic Characteristics and Formation Conditions of Upstream Vortex

PEI Shao-feng,LIU Ya-kun,NI Han-gen
(Faculty of Infrastructure Engineering,DalianUniversity of Technology,Dalian,Liaoning116024,China)

Combined with practical engineerings,the development law and hydraulic characteristics of upstream vortex are studied by hydraulic model tests.The test study results show that the intermittently inspiratory funnel vortex would only appear when the opening of the gate is larger.When the opening of the gate is not changed,the upstream vortex's intensity would vary obviously with the depth of submergence.The maximum value of the vortex's intensity would appear while the depth of submergence tends to a certain limit.When being less or greater than this depth of submergence,the intensity of vortex would be weakened to some extent,even disappear.Finally,the formation conditions of the intermittently inspiratory funnel vortex are studied in theory.The study achievements could provide references for the engineering design of upstream vortex's eliminating measures.

hydraulic model test;characteristic of upstream vortex;law of development;theoretical analysis;formation condition

TV66

A

1672—1144(2012)05—0055—06

2012-04-10

2012-05-09

國家自然科學基金“災害性天氣暴雨洪水過程演化與防洪分類調度方法研究”(51279021);國家自然科學基金“基于風險分析的跨流域引水環(huán)境下水庫汛期水位實時調度多目標決策研究”(51079015)

裴少鋒(1985—),男(漢族),河南湯陰人,碩士研究生,研究方向為工程水力學。

劉亞坤(1968—),女(漢族),黑龍江訥河人,博士,教授,博導,主要從事工程水力學教學與科研工作。