高學(xué)平，朱洪濤，劉殷竹，孫博聞，陳 昊

（1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300022）

1 研究背景

進(jìn)出水口是抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的重要組成部分，主要分為側(cè)式進(jìn)出水口與井式進(jìn)出水口［1］。側(cè)式進(jìn)出水口因內(nèi)部分流隔墩等導(dǎo)致流動(dòng)復(fù)雜，其內(nèi)部水流雙向流動(dòng)規(guī)律尚不清晰。為探明側(cè)式進(jìn)出水口內(nèi)部雙向流動(dòng)規(guī)律，提高抽水蓄能電站的運(yùn)行效率，本文以側(cè)式進(jìn)出水口為對(duì)象展開(kāi)試驗(yàn)研究。

目前對(duì)于側(cè)式進(jìn)出水口的研究成果大多圍繞具體的實(shí)際工程展開(kāi)，重點(diǎn)集中于水力特性優(yōu)化［2-4］、庫(kù)區(qū)流態(tài)優(yōu)化［5-6］、進(jìn)出水口體型優(yōu)化算法［7-8］等方面。蔡付林等［2］研究了擴(kuò)散段內(nèi)7種分流墩布置方式對(duì)進(jìn)出水口水力特性的影響程度，指出三隔墩四孔進(jìn)出水口的中間分流墩宜短于兩側(cè)分流墩；任曉倩等［3］對(duì)進(jìn)出水口擴(kuò)散段導(dǎo)流墩的位置及中、邊孔的擴(kuò)散角進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，解決的流量分配不均的問(wèn)題；徐準(zhǔn)等［4］系統(tǒng)分析了擴(kuò)散段內(nèi)隔墩位置的改變對(duì)進(jìn)出水口水力特性的影響；高學(xué)平等［5］研究了進(jìn)出水口明渠兩側(cè)地形不對(duì)稱時(shí)明渠及進(jìn)出水口的水流流態(tài)，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法；高學(xué)平等［6］以濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)側(cè)式進(jìn)出水口為例，探尋改善進(jìn)出水口及圍堰附近水流流態(tài)的有效措施；高學(xué)平等［7-8］結(jié)合多島遺傳算法、響應(yīng)面法等遺傳算法建立優(yōu)化體型參數(shù)與水力指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系，提高了傳統(tǒng)體型優(yōu)化方法的效率。上述成果均圍繞具體工程進(jìn)出水口水力學(xué)問(wèn)題展開(kāi)，缺少對(duì)進(jìn)出水口內(nèi)部雙向流動(dòng)規(guī)律全面詳細(xì)的研究。

物理模型試驗(yàn)是研究側(cè)式進(jìn)出水口水力特性的主要手段，一般針對(duì)某個(gè)實(shí)際工程進(jìn)出水口進(jìn)行試驗(yàn)，采用旋漿流速儀、電磁流速儀或ADV 流速儀等量測(cè)典型斷面的流速分布，以時(shí)均值描述流動(dòng)規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化進(jìn)出水口體型。姜成海等［9］對(duì)仙居抽水蓄能電站進(jìn)行了水工模型試驗(yàn)，量測(cè)了攔污柵斷面的時(shí)均流速值，試驗(yàn)結(jié)果表明該斷面的平均流速滿足過(guò)柵流速的要求；孫雙科等［10］對(duì)張河灣抽水蓄能電站上水庫(kù)進(jìn)出水口進(jìn)行試驗(yàn)，研究了側(cè)式進(jìn)出水口攔污柵斷面時(shí)均流速分布規(guī)律，分析了擴(kuò)散段隔墩布置型式與過(guò)渡段體型對(duì)攔污柵斷面時(shí)均流速分布的影響，并提出消除攔污柵斷面負(fù)流速的工程措施。章軍軍等［11］結(jié)合大樹(shù)子抽水蓄能水電站下庫(kù)進(jìn)出水口試驗(yàn)，優(yōu)化了側(cè)式短進(jìn)出水口在出流時(shí)流速分布不均勻與水頭損失系數(shù)較大的問(wèn)題。上述研究均以時(shí)均值描述流動(dòng)規(guī)律，缺少對(duì)典型斷面脈動(dòng)流速的量測(cè)和分析。

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）能對(duì)內(nèi)部流速場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)，具有非接觸、高精度、區(qū)域測(cè)量等優(yōu)勢(shì)。其基本工作原理，是通過(guò)在流體中投入一定濃度的示蹤粒子，用激光照亮測(cè)量區(qū)域，同時(shí)用CCD 相機(jī)進(jìn)行拍攝，最后對(duì)圖像進(jìn)行處理分析。例如，Song 等［12］和Gao 等［13］利用PIV 研究了在非線性溫度分層型水庫(kù)中的浮式取水口附近流場(chǎng)，從流速場(chǎng)角度對(duì)下泄水溫形成機(jī)理進(jìn)行分析；楊帆等［14］利用PIV研究了軸流泵內(nèi)部水流流場(chǎng)；陳凱霖等［15-16］利用PIV研究了明渠水流交匯區(qū)流場(chǎng)及污染物濃度分布規(guī)律；柳夢(mèng)陽(yáng)等［17］基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)研究淹沒(méi)植被斑的時(shí)均尾流結(jié)構(gòu)。因此PIV 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)側(cè)式進(jìn)出水口內(nèi)部流速場(chǎng)的量測(cè)。

目前對(duì)進(jìn)出水口水力特性的研究均以流速時(shí)均值描述其流動(dòng)規(guī)律，認(rèn)為脈動(dòng)流速較小，符合脈動(dòng)值繞時(shí)均值上下波動(dòng)的一般規(guī)律，缺少對(duì)典型斷面脈動(dòng)流速的深入研究，同時(shí)也缺少對(duì)進(jìn)出水口內(nèi)部流動(dòng)的試驗(yàn)研究。本文以典型側(cè)式進(jìn)出水口為對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）和聲學(xué)多普勒測(cè)速技術(shù)（ADV），獲得進(jìn)出水口內(nèi)部流速場(chǎng)、沿程斷面流速和攔污柵斷面流速分布，全面揭示進(jìn)出水口內(nèi)部雙向流動(dòng)規(guī)律。

2 研究對(duì)象

圖1為某工程的典型側(cè)式進(jìn)出水口體型圖。沿進(jìn)流方向，側(cè)式進(jìn)出水口由防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段、漸變段等組成，其前接明渠段與庫(kù)區(qū)相連，其后接輸水隧洞與輸水系統(tǒng)相連。在雙向水流條件下，側(cè)式進(jìn)出水口各組成段起到不同的作用。防渦梁段是防止進(jìn)流工況進(jìn)出水口前形成旋渦；擴(kuò)散段和調(diào)整段是調(diào)整出流工況隧洞來(lái)流，使隧洞來(lái)流到達(dá)攔污柵斷面時(shí)流速分布趨于均勻。該典型進(jìn)出水口采用3 隔墩4 孔口布置（圖1），孔口高度8.7 m，寬度6.3 m，防渦梁段長(zhǎng)10.5 m，調(diào)整段長(zhǎng)14.5 m，擴(kuò)散段長(zhǎng)度36 m，水平擴(kuò)散角34.3°，垂向擴(kuò)散角2.35°，輸水隧洞直徑7.2 m。出流工況（從進(jìn)出水口流出進(jìn)入水庫(kù)），流量158.0 m3/s，輸水隧洞平均流速3.88 m/s；進(jìn)流工況（從水庫(kù)流入進(jìn)出水口），流量114 m3/s，輸水隧洞平均流速2.80 m/s，死水位條件下孔口中心的淹沒(méi)深度13.15 m，正常蓄水位條件下孔口中心淹沒(méi)深度30.15 m。

圖1 典型側(cè)式進(jìn)出水口體型

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)裝置以上述實(shí)際工程進(jìn)出水口為基礎(chǔ)，按幾何縮尺60建立了典型進(jìn)出水口試驗(yàn)裝置，如圖2 所示。該試驗(yàn)裝置在天津大學(xué)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，總長(zhǎng)約12 m，由供水管路系統(tǒng)、側(cè)式進(jìn)出水口模型、流量控制系統(tǒng)等組成。供水管路系統(tǒng)包括高平水塔、集水箱、管路、穩(wěn)流裝置；流量控制系統(tǒng)包括電磁流量計(jì)和閥門(mén)等。出流工況，水流自高平水塔沿出流管經(jīng)過(guò)閥門(mén)、流量計(jì)、隧洞流入進(jìn)出水口，再向明渠段及庫(kù)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散，經(jīng)過(guò)穩(wěn)水裝置后匯入集水箱；進(jìn)流工況，水流自高平水塔沿進(jìn)流管經(jīng)過(guò)穩(wěn)水裝置穩(wěn)流后，進(jìn)入庫(kù)區(qū)、明渠段，流入進(jìn)出水口及隧洞。

圖2 試驗(yàn)裝置

3.2 量測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法量測(cè)系統(tǒng)如圖3 所示，包括粒子圖像測(cè)速儀（PIV）、聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）、水位測(cè)針。PIV 主要由Nano TRL 425-10 雙脈沖激光器（激光波長(zhǎng)為532 nm）、Imager SX 4M CCD相機(jī)、導(dǎo)光臂等組成。

圖3 量測(cè)系統(tǒng)布置

試驗(yàn)利用PIV 量測(cè)進(jìn)出水口內(nèi)部縱剖面流場(chǎng)，采用分區(qū)域拍照的方法，單次測(cè)量的覆蓋范圍為40 cm×30 cm（橫向×垂向），PIV 的激光源布置于進(jìn)出水口下方，激光經(jīng)過(guò)透鏡轉(zhuǎn)換成約1 mm 的片光源，從底部照亮測(cè)量部位，CCD 相機(jī)垂直于片光源布置；試驗(yàn)時(shí)采用跟隨性較好的空心玻璃珠作為示蹤粒子，其直徑11 μm、密度1.02×103kg/m3；采用雙幀雙曝光模式，曝光時(shí)間間隔為1000 μs，相機(jī)采樣頻率為10 Hz，圖像后處理采用DAVIS8.0軟件，圖像處理采用互相關(guān)算法，查詢區(qū)域?yàn)?2×32像素。利用ADV量測(cè)孔口攔污柵斷面流速分布，沿水深方向共均勻布置了15個(gè)測(cè)點(diǎn)，采樣頻率100 Hz?？紤]到流道狹窄，探頭相對(duì)較大，接觸式測(cè)量點(diǎn)流速可能影響精度，分析如下，由于ADV 的測(cè)點(diǎn)位于探頭正下方約5 cm 處，因此在測(cè)量該斷面靠近上部的7 個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，ADV 探頭無(wú)需進(jìn)入通道內(nèi)，其對(duì)結(jié)果無(wú)影響；對(duì)于下部8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，ADV 探頭需進(jìn)入到流道，本文流道寬度105 mm、高度145 mm，而ADV 儀器測(cè)量桿直徑為6.5 mm、測(cè)量爪直徑約2.5 mm，而且測(cè)點(diǎn)在探頭下方5 cm 處不與探頭接觸，因此其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響可以忽略。

4 試驗(yàn)結(jié)果

下面按出流工況和進(jìn)流工況，給出死水位條件下進(jìn)出水口內(nèi)部和攔污柵斷面流速的量測(cè)結(jié)果，給出不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面的流速分布及紊動(dòng)強(qiáng)度。流速按無(wú)量綱量給出，即流速值u與孔口平均流速vout（出流工況）或vin（進(jìn)流工況）的比值；距底板距離按無(wú)量綱給出，即距底板距離y與孔口高度H的比值。

4.1 出流工況出流工況，水流自隧洞段流入進(jìn)出水口，經(jīng)過(guò)擴(kuò)散段分流后從進(jìn)出水口的4 個(gè)孔口流出，水流流動(dòng)沿程呈現(xiàn)出擴(kuò)散態(tài)，流速沿程降低。

4.1.1 進(jìn)出水口內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律

（1）進(jìn)出水口內(nèi)部流速場(chǎng)。圖4 為由PIV 量測(cè)的進(jìn)出水口中、邊孔內(nèi)部中心剖面流速云圖。出流工況，中孔擴(kuò)散段內(nèi)主流明顯且位于孔口中部，水流沿程逐漸擴(kuò)散，流速逐漸減小，部分?jǐn)U散段頂部及調(diào)整段頂部存在小范圍低流速區(qū)（圖5）；邊孔內(nèi)主流不明顯，頂板沿程不存在低流速區(qū)。從進(jìn)出水口內(nèi)部流速變化過(guò)程來(lái)看，中孔受逆壓力梯度變化影響更明顯，存在明顯的流動(dòng)分離再附著現(xiàn)象，但水流經(jīng)過(guò)調(diào)整段整流后，流速分布趨于均勻。

圖4 PIV量測(cè)的進(jìn)出水口內(nèi)部中心剖面流速云圖

圖5 進(jìn)出水口中孔局部矢量圖

（2）進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速分布。為分析進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速變化，選取中孔和邊孔各8條測(cè)線進(jìn)行分析。圖6為進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速分布。對(duì)于中孔，水流進(jìn)入擴(kuò)散段后主流位于中部，隨著水流逐漸擴(kuò)散，擴(kuò)散段1中間測(cè)線靠近頂板處出現(xiàn)反向流速，水流進(jìn)入調(diào)整段時(shí)頂板處流速較低，水流經(jīng)調(diào)整段調(diào)整后，逆壓梯度影響逐漸減弱，水流到達(dá)攔污柵斷面時(shí)，測(cè)線流速分布趨于對(duì)稱；對(duì)于邊孔，水流進(jìn)入擴(kuò)散段后各測(cè)線均未出現(xiàn)反向流速，至調(diào)整段斷面時(shí)流速分布已趨于對(duì)稱。因此，調(diào)整段對(duì)中孔而言其調(diào)整作用更為明顯。

圖6 進(jìn)出水口沿程斷面流速分布

4.1.2 攔污柵斷面流速 為保證攔污柵安全，特別關(guān)注進(jìn)出水口攔污柵斷面流速分布。以往研究，均是以時(shí)均流速來(lái)分析攔污柵斷面流速，一般要求過(guò)柵平均流速不宜大于1 m/s，斷面流速不均勻系數(shù)（最大流速/平均流速）宜小于1.5，避免出現(xiàn)反向流速，其目的是減少攔污柵振動(dòng)破壞的幾率，保證攔污柵的安全［18］。為此，試驗(yàn)利用聲學(xué)多普勒測(cè)速技術(shù)（ADV）專門(mén)量測(cè)了攔污柵斷面的流速分布，記錄了各測(cè)點(diǎn)的流速歷時(shí)。

（1）時(shí)均流速分析。圖7 為出流工況不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面時(shí)均流速分布，其中縱坐標(biāo)為距底板距離y與孔口高度H的比值，橫坐標(biāo)為流速值與孔口平均流速比值。從圖中可以看出，淹沒(méi)度的變化對(duì)時(shí)均流速分布基本無(wú)影響；中孔流速分布主流靠近孔口中部，無(wú)反向流速，邊孔流速分布較中孔均勻。死水位條件下中孔流速不均勻系數(shù)1.31（最大流速/平均流速）；邊孔流速不均勻系數(shù)1.10。

圖7 不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面時(shí)均流速分布

圖8 同時(shí)對(duì)比了死水位工況下PIV 與ADV 的實(shí)測(cè)結(jié)果，中孔及邊孔PIV 與ADV 的量測(cè)結(jié)果基本相同。

圖8 攔污柵斷面時(shí)均流速分布

（2）脈動(dòng)流速分析。利用ADV專門(mén)記錄了斷面各測(cè)點(diǎn)流速歷時(shí)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。選取攔污柵斷面8 個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1—4 位于中孔攔污柵斷面，測(cè)點(diǎn)5—8 位于邊孔攔污柵斷面。圖9 為死水位條件下典型測(cè)點(diǎn)的流速歷時(shí)過(guò)程。可以看出中孔、邊孔流速脈動(dòng)值均很大，脈動(dòng)流速值接近時(shí)均值，甚至大于時(shí)均值，有別于脈動(dòng)值較小且沿時(shí)均值上下波動(dòng)的一般規(guī)律。例如，中孔測(cè)點(diǎn)3，最大脈動(dòng)流速為2.94vout，時(shí)均流速為1.66vout，最大脈動(dòng)流速與時(shí)均流速的比值為1.8（2.94vout/1.66vout），即最大脈動(dòng)流速是時(shí)均流速的1.8倍，這里vout為孔口平均流速。

圖9 攔污柵斷面測(cè)點(diǎn)流速歷時(shí)過(guò)程圖

流速脈動(dòng)幅度大小可用脈動(dòng)流速u(mài)的均方根σ表示，其值直觀反映流速脈動(dòng)幅度的大小。脈動(dòng)流速均方根與平均流速的比值稱為紊動(dòng)強(qiáng)度Tu是無(wú)量綱表述流速脈動(dòng)幅度的參數(shù)，圖10 對(duì)比了不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面各測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度的變化。從圖中可看出，淹沒(méi)度的變化對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度基本無(wú)影響；沿水深方向各測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度基本相同；中孔的紊動(dòng)強(qiáng)度明顯大于邊孔。其中死水位條件下，中孔測(cè)點(diǎn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度為0.70，邊孔測(cè)點(diǎn)的平均紊動(dòng)強(qiáng)度為0.40。而對(duì)于一般明渠水流，其0.5 倍水深位置的紊動(dòng)強(qiáng)度為0.06～ 0.08［19］。相比一般明渠水流，中孔測(cè)點(diǎn)的紊動(dòng)強(qiáng)度是一般明渠水流0.5 倍水深位置紊動(dòng)強(qiáng)度的10 倍。

圖10 攔污柵斷面測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度

對(duì)于攔污柵斷面，以往主要研究該斷面的時(shí)均流速分布，關(guān)心時(shí)均流速的大小和是否有反向流速，沒(méi)有關(guān)注脈動(dòng)流速，認(rèn)為脈動(dòng)流速值較小且不會(huì)對(duì)攔污柵安全構(gòu)成威脅。上述研究結(jié)果表明，出流工況，攔污柵斷面各點(diǎn)脈動(dòng)流速大，紊動(dòng)強(qiáng)度大，將對(duì)攔污柵安全構(gòu)成威脅，必須引起高度重視。

4.2 進(jìn)流工況進(jìn)流工況，水流通過(guò)進(jìn)出水口匯入到隧洞段，水流流動(dòng)沿程呈現(xiàn)出收縮態(tài)，流速沿程增加。

4.2.1 進(jìn)出水口內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律

（1）進(jìn)出水口內(nèi)部流速場(chǎng)。圖11為由PIV 量測(cè)的進(jìn)出水口中、邊孔內(nèi)部中心剖面流速云圖。進(jìn)流工況，水流從孔口前緣及防渦梁間隙流入進(jìn)出水口，在中孔及邊孔部分調(diào)整段頂部形成了一定范圍低流速區(qū)（圖12）；水流匯入流道后流速增大、流速分布逐漸增大并趨于均勻。從水流匯入進(jìn)出水口的過(guò)程來(lái)看，來(lái)流方向存在前方來(lái)流及防渦間隙來(lái)流，從防渦梁間隙處進(jìn)入進(jìn)出水口的水流需經(jīng)過(guò)90°轉(zhuǎn)折，故易在調(diào)整段頂板處形成低流速區(qū)。

圖11 PIV量測(cè)的進(jìn)出水口內(nèi)部中心剖面流速云圖

圖12 進(jìn)出水口中、邊孔調(diào)整段局部矢量圖

（2）進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速分布。為分析進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速變化，選取中孔和邊孔各7 條測(cè)線進(jìn)行分析。圖13 為進(jìn)出水口內(nèi)部沿程斷面流速分布。從圖中可以看出，進(jìn)流工況，中孔及邊孔流速分布規(guī)律基本相同，邊孔流速略大于中孔流速，水流自防渦梁段流進(jìn)調(diào)整段時(shí)，中、邊孔測(cè)線頂部流速較低，底部流速較大。隨著水流在擴(kuò)散段內(nèi)不斷收縮，中、邊孔的流速分布逐漸趨于均勻。

圖13 典型斷面時(shí)均流速分布

4.2.2 攔污柵斷面流速

（1）時(shí)均流速分析。圖14為進(jìn)流工況不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面時(shí)均流速分布，其中縱坐標(biāo)為距底板距離y與孔口高度H的比值，橫坐標(biāo)為流速值與孔口平均流速比值。從圖中可以看出，淹沒(méi)度的變化對(duì)時(shí)均流速分布基本無(wú)影響；中、邊孔流速分布規(guī)律基本相同，邊孔流速略大于中孔流速。

圖14 不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面時(shí)均流速分布

圖15同時(shí)對(duì)比了死水位工況下PIV 與ADV 的實(shí)測(cè)結(jié)果，中孔及邊孔PIV 與ADV 的量測(cè)結(jié)果基本相同。

圖15 攔污柵斷面時(shí)均流速分布

（2）脈動(dòng)流速分析。利用ADV專門(mén)記錄了斷面各測(cè)點(diǎn)流速歷時(shí)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。選取攔污柵斷面8個(gè)典型測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1—4位于中孔攔污柵斷面，測(cè)點(diǎn)5—8位于邊孔攔污柵斷面。圖16為死水位條件下，典型測(cè)點(diǎn)的流速歷時(shí)過(guò)程?？梢钥闯鲋锌?、邊孔流速脈動(dòng)值較小，與脈動(dòng)值較小且圍繞時(shí)均值上下波動(dòng)的基本規(guī)律相符。例如，中孔測(cè)點(diǎn)3，最大脈動(dòng)流速為0.48vin，時(shí)均流速為1.04vin，最大脈動(dòng)流速與時(shí)均流速的比值為0.46（0.48vin/1.04vin），即最大脈動(dòng)流速是時(shí)均流速的0.46倍，這里vin為孔口平均流速。

圖16 攔污柵斷面測(cè)點(diǎn)流速歷時(shí)過(guò)程

圖17 對(duì)比了不同淹沒(méi)度下攔污柵斷面各測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度的變化。從圖中可看出，淹沒(méi)度的變化對(duì)紊動(dòng)強(qiáng)度基本無(wú)影響；中孔、邊孔脈動(dòng)幅度均較小，邊孔紊動(dòng)強(qiáng)度略大于中孔，中孔、邊孔各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)流速值均小于時(shí)均值。其中死水位條件下，中孔測(cè)點(diǎn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度0.10，邊孔測(cè)點(diǎn)平均紊動(dòng)強(qiáng)度為0.11。因此，中、邊孔測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度略高于一般明渠水流0.5倍水深位置處的紊動(dòng)強(qiáng)度。

圖17 攔污柵斷面測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度

4.3 討論試驗(yàn)結(jié)果表明，出流工況水流條件較進(jìn)流工況更為復(fù)雜。進(jìn)流工況，水流呈現(xiàn)收縮態(tài)，水流流速逐漸增大，攔污柵斷面水流紊動(dòng)強(qiáng)度較小，符合脈動(dòng)值較小且繞時(shí)均值上下波動(dòng)的一般規(guī)律。出流工況，水流呈現(xiàn)擴(kuò)散態(tài)，水流流速逐漸減小，攔污柵斷面水流紊動(dòng)強(qiáng)度高，脈動(dòng)流速很大，有別于對(duì)脈動(dòng)流速的一般認(rèn)知規(guī)律。對(duì)于出流工況，即水流自輸水隧洞進(jìn)入進(jìn)出水口，依次經(jīng)過(guò)擴(kuò)散段、調(diào)整段、防渦梁段，進(jìn)出水口體型在平面和豎向上均有擴(kuò)散，屬三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。水流沿程逐漸擴(kuò)散，同時(shí)水平擴(kuò)散和垂向擴(kuò)散，具有明顯的三維流動(dòng)特征。水流沿程擴(kuò)散的同時(shí)脈動(dòng)流速增大，進(jìn)出水口攔污柵斷面屬擴(kuò)散水流的末端，其斷面的脈動(dòng)流速仍然很大。以上只是定性的分析，應(yīng)進(jìn)一步專門(mén)分析攔污柵斷面脈動(dòng)流速大的原因。

5 結(jié)論

本文建立了典型側(cè)式進(jìn)出水口試驗(yàn)裝置，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）和聲學(xué)多普勒測(cè)速技術(shù)（ADV），對(duì)側(cè)式進(jìn)出水口內(nèi)部雙向流動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）利用PIV 技術(shù)量測(cè)了進(jìn)出水口內(nèi)部流速場(chǎng)揭示了進(jìn)出水口內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律。出流工況，中孔擴(kuò)散段內(nèi)主流明顯且位于孔口中部，擴(kuò)散段及調(diào)整段頂部存在低流速區(qū)，邊孔擴(kuò)散段內(nèi)主流不明顯；進(jìn)流工況，中孔及邊孔調(diào)整段頂部存在低流速區(qū)，水流匯入擴(kuò)散段后流速分布趨于均勻。

（2）利用ADV 流速儀量測(cè)了攔污柵斷面流速歷時(shí)過(guò)程，揭示了該斷面流速脈動(dòng)規(guī)律。出流工況，其脈動(dòng)流速很大，有別于對(duì)脈動(dòng)流速的一般認(rèn)知規(guī)律；進(jìn)流工況，脈動(dòng)流速較小，符合脈動(dòng)值圍繞時(shí)均值上下波動(dòng)的一般規(guī)律。

（3）對(duì)于出流工況，攔污柵斷面各點(diǎn)流速脈動(dòng)值較大，流速脈動(dòng)值可達(dá)時(shí)均值的1.8 倍，紊動(dòng)強(qiáng)度大，脈動(dòng)值較大且頻繁變化，將對(duì)攔污柵的安全構(gòu)成威脅，必須引起高度重視。