張 楊

(凌源市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 凌源 122500)

能源短缺問題是人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，水電作為一種清潔型能源，不僅可以緩解能源壓力，并且可以推動(dòng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1]。高壩水電站中高壩泄洪、高水頭容易導(dǎo)致河床沖刷、壩基破壞，嚴(yán)重威脅壩身安全。內(nèi)消能工[2]通過人為對(duì)水體制造紊動(dòng)，能夠達(dá)到良好的消能效果。消能是高壩建設(shè)中無法避免的水力學(xué)問題，設(shè)計(jì)科學(xué)合理的消能方式對(duì)于壩基、壩身安全具有十分重要的意義。因此，建立一種科學(xué)合理的內(nèi)消能工方式對(duì)于高壩安全泄流具有十分重要的意義。與傳統(tǒng)的外部消能相比，內(nèi)消能工由于具有銜接平穩(wěn)、消能效果更佳和適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于高壩泄流等工程，有關(guān)學(xué)者就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量研究。曹民雄等人[3]研究了同軸反向渦流式、豎井渦流式與單向渦流式的內(nèi)消能工的水力特性，闡述了水流脈動(dòng)能量的產(chǎn)生、輸送與損耗等問題。丁天明[4]等人根據(jù)試驗(yàn)?zāi)M了洞塞消能工的消能特性，得到了能量損失與損失系數(shù)的主要影響因素。陳劍等[5]通過全面分析泄洪洞中洞塞的空化特性、水流壓強(qiáng)、布置形式、尺寸及相互間的比例等，表明洞塞內(nèi)消能工是一種可行性強(qiáng)、消能率高與體型簡(jiǎn)單的消能方式。本文介紹了流量系數(shù)與消能率計(jì)算公式的推算過程，并根據(jù)二級(jí)齒墩試驗(yàn)裝置進(jìn)行過流能力與消能特性分析，分別以流量系數(shù)和消能率作為指標(biāo)，研究了不同齒墩間距和不同齒墩旋轉(zhuǎn)角對(duì)過流能力以及消能特性的影響，為類似工程建設(shè)提供了參考依據(jù)。

1 過流能力與消能特性相關(guān)理論

1.1 流量系數(shù)

流量系數(shù)μc可以反映有壓管道中過流能力的大小[6]。依據(jù)能量方程進(jìn)行推算，首先確定起始斷面與結(jié)束斷面，然后以管道中心線為基準(zhǔn)面，則X號(hào)斷面與2號(hào)斷面能量方程為：

(1)

一定流量范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為結(jié)束斷面為漸變流斷面[7]。取Z2=ZX=0，υ2=υX，α2=αX，hw2-X表示斷面2號(hào)至X號(hào)的水頭損失，則式(1)推算為：

(2)

hw2-X包括沿程水頭損失與局部水頭損失，即：

(3)

由式(2)與式(3)得到流量系數(shù)計(jì)算公式：

(4)

式中，Q—管道流量,m3/s；g—重力加速度,m/s2；A—管道中水流的橫斷面積,m2。

1.2 消能率

消能率作為消能評(píng)判的一個(gè)最重要指標(biāo)，其大小根據(jù)水流流經(jīng)消能設(shè)施前后的能量變化情況來確定[8- 9]。取2號(hào)斷面至X斷面作為計(jì)算段面，根據(jù)式(2)得到消能率公式：

表1 不同方案的流量系數(shù)

(5)

式中，η—消能率；H—2號(hào)斷面的總水頭,m；hw2-X—斷面2號(hào)至X號(hào)的水頭損失,m。

2 二級(jí)齒墩過流能力及消能特性分析

試驗(yàn)裝置如圖1，裝置由恒定水位的水箱、閥門、法蘭、有機(jī)玻璃管和流量計(jì)等組成[10]。有機(jī)玻璃管長(zhǎng)350.0cm，直徑15.0cm，通過有機(jī)玻璃管能夠清晰地觀察到水體流態(tài)。

圖1 二級(jí)齒墩試驗(yàn)裝置示意圖

2.1 過流能力分析

二級(jí)齒墩的過流能力根據(jù)流量系數(shù)進(jìn)行分析，流量系數(shù)分別與局部水頭損失系數(shù)和沿程水頭損失系數(shù)相關(guān)。雷諾數(shù)Re作為液體流動(dòng)特性的一個(gè)重要參數(shù)，體現(xiàn)了管道中液體的不同流態(tài)，其大小通過慣性力與黏滯力的比值進(jìn)行表示，即lRe=vD/υ(υ為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，vl為斷面平均流速)。試驗(yàn)測(cè)試中管道流量為9.0l/s～42.0l/s，雷諾數(shù)最小值為0.6×105，過程中水流均處于紊流狀態(tài)，水流的沿程阻力系數(shù)伴隨雷諾數(shù)的改變而變化。本文試驗(yàn)測(cè)試了不同齒墩間距、不同齒墩旋轉(zhuǎn)角對(duì)過流能力的影響，其大小通過流量系數(shù)體現(xiàn)，不同方案的流量系數(shù)見表1。

由表1可知，二級(jí)齒墩內(nèi)消能工流量系數(shù)變化范圍為0.37～0.47，當(dāng)齒墩間距較小時(shí)，流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而大幅度降低；當(dāng)齒墩間距變大時(shí)，流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而無明顯改變，并且流量系數(shù)下降幅度呈不斷減小的趨勢(shì)。當(dāng)齒墩間距不變時(shí)，流量系數(shù)隨著Re的增加呈先增大后平緩的趨勢(shì)，Re大于1.8×105時(shí)，流量系數(shù)基本不受Re的影響，這是由于Re較小時(shí)，水流處于紊流過渡區(qū)，Re對(duì)水頭損失具有一定的影響，而隨著Re的不斷增大，流量系數(shù)主要由齒墩布置和幾何尺寸等因素決定。為了進(jìn)一步分析二級(jí)齒墩間距對(duì)過流能力的影響，以齒墩間距為橫坐標(biāo)，各方案流量系數(shù)平均值為縱坐標(biāo)作圖，得到圖2。

由圖2可知，流量系數(shù)隨著齒墩間距的增加呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，當(dāng)齒墩間距大于80cm時(shí)，流量系數(shù)趨于不變。通過對(duì)比不同旋轉(zhuǎn)角度下的流量系數(shù)發(fā)現(xiàn)，流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角的增加呈現(xiàn)整體降低的趨勢(shì)，與無旋轉(zhuǎn)相比，旋轉(zhuǎn)15°平均降低0.53%，旋轉(zhuǎn)30°平均降低1.47%。

表2 不同方案的消能率

圖2 流量系數(shù)隨著齒墩間距的變化規(guī)律

2.2 消能特性分析

本文試驗(yàn)還測(cè)試了不同齒墩間距、不同齒墩相對(duì)旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能特性的影響，其消能率見表2。

由表2可知，消能率隨Re呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)。Re小于1.8×105時(shí)，消能率幾乎不受旋轉(zhuǎn)角影響；而Re大于1.8×105，齒墩間距小于100cm時(shí)，二級(jí)齒墩消能出現(xiàn)相互影響，并且總體上消能率隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而增大，旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能率的影響隨著齒墩間距的增加逐漸減弱，齒墩間距高于100cm時(shí)，旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能率的影響忽略不計(jì)。試驗(yàn)范圍內(nèi)，齒墩間距40cm，旋轉(zhuǎn)角30°時(shí)，消能效果最好。

為了進(jìn)一步分析二級(jí)齒墩間距對(duì)消能率的影響，以齒墩間距為橫坐標(biāo)，最大消能率為縱坐標(biāo)作圖，得到圖3。

圖3 最大消能率隨著齒墩間距的變化規(guī)律

由圖3可知，齒墩間距低于100cm時(shí)，齒墩之間存在相互影響，二級(jí)齒墩內(nèi)消能工的消能率隨著旋轉(zhuǎn)角的增加呈增大趨勢(shì)；齒墩間距高于100cm時(shí)，消能率幾乎不受旋轉(zhuǎn)角的影響，均值為68.9%。另外，齒墩間距40cm，旋轉(zhuǎn)角30°時(shí)，消能率達(dá)到最大82.5%，無旋轉(zhuǎn)時(shí)，消能率最低58.4%。

2.3 二級(jí)齒墩內(nèi)消能工與一級(jí)齒墩內(nèi)消能工的對(duì)比

為了對(duì)比相同尺寸與形狀的二級(jí)齒墩內(nèi)消能工與一級(jí)齒墩內(nèi)消能工，選擇兩種內(nèi)消能工的過流能力與最大消能率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3、表4。

表3 二級(jí)齒墩相比于單級(jí)齒墩過流能力降低百分比 單位：%

表4 二級(jí)齒墩相比于單級(jí)齒墩消能率提高百分比 單位：%

由表3、表4可知，與單級(jí)齒墩相比，二級(jí)齒墩的過流能力呈現(xiàn)一定幅度的降低，降低百分比基本保持在27%～29%范圍之內(nèi)，但是其消能率具有明顯幅度的提高，齒墩間距40cm，旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，消能率達(dá)到最大92.0%，由此表明二級(jí)齒墩具備良好的可行性。

3 結(jié)論

(1)二級(jí)齒墩內(nèi)消能工流量系數(shù)變化范圍為0.37～0.47，當(dāng)齒墩間距較小時(shí)，流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而大幅度降低；當(dāng)齒墩間距變大時(shí)，流量系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而無明顯改變。

(2)消能率隨Re呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)，旋轉(zhuǎn)角對(duì)消能率的影響隨著齒墩間距的增加逐漸減弱，齒墩間距40cm，旋轉(zhuǎn)角30°時(shí)，消能效果達(dá)到最好。

(3)與單級(jí)齒墩相比，二級(jí)齒墩的過流能力呈現(xiàn)一定幅度的降低，但是其消能率具有明顯幅度的提高。齒墩間距40cm，旋轉(zhuǎn)30°時(shí)，消能率達(dá)到最大92.0%，因此二級(jí)齒墩具備良好的可行性。

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