楊 敏,李會平,緱文娟,尹紅霞

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

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跌坎消力池脈動壓強試驗

楊 敏,李會平,緱文娟,尹紅霞

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

摘要:為了對跌坎消力池的水動力特性作更深入的研究,為跌坎消力池的設(shè)計防護(hù)提供參考,基于模型試驗對跌坎消力池脈動壓強的分布規(guī)律、幅值特性和頻譜特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明:水流條件是影響脈動壓強的主要因素,跌坎消力池底板脈動壓強系數(shù)沿程呈先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢;跌坎消力池底板中線和靠近邊墻的脈動壓強相當(dāng),脈動壓強最大達(dá)到總水頭的5. 1%;跌坎消力池前端位于泄槽邊墻延長線附近區(qū)域的脈動壓強最大,最大達(dá)到總水頭的11. 5%;跌坎消力池前端中線的脈動壓強比傳統(tǒng)消力池有明顯降低,最大降幅達(dá)55. 2%。

關(guān)鍵詞:跌坎消力池;水動力特性;脈動壓強;功率譜;總水頭

水流脈動壓強的存在增大了消力池底板所承受的瞬時荷載,提高了對消力池底板強度和穩(wěn)定性的要求[1],設(shè)計荷載時必須考慮脈動壓強的影響以保證消力池的安全運行。跌坎消力池[2]作為一種新型消能工,其水流形態(tài)[3-4]與傳統(tǒng)底流消力池相比有明顯不同。跌坎的體型、上游來流條件、消力池內(nèi)水深對水流流態(tài)的影響都非常明顯,從而導(dǎo)致消力池的水動力特性發(fā)生變化[5-7]。因此,深入研究跌坎消力池的脈動壓強具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。羅永欽等[8]對“陡坡+跌坎”式消力池中線脈動壓強進(jìn)行了研究,秦翠翠等[9-10]對跌擴(kuò)型消力池中線脈動壓強進(jìn)行了研究,但都沒有涉及脈動壓強沿消力池橫向的分布規(guī)律,其他有關(guān)跌坎消力池脈動壓強沿橫向分布規(guī)律的研究也較少。本文通過大比尺(Lr=50)水工模型試驗重點研究跌坎消力池底板上表面脈動壓強的幅值特性、相關(guān)特性、空間積分尺度、頻譜特性,以找出跌坎消力池脈動壓強沿縱向和橫向的分布規(guī)律;通過對脈動壓強的縱向和橫向?qū)Ρ纫詫ふ蚁Τ刂忻}動壓強最大的區(qū)域,并與傳統(tǒng)消力池進(jìn)行對比來分析跌坎消力池脈動壓強相對于傳統(tǒng)消力池的降低幅度。

1 模型布置

以梨園水電站為原型進(jìn)行跌坎消力池脈動壓強試驗,梨園水電站的主要泄洪建筑物為布置于右岸的溢洪道,出口采用跌坎消力池消能。溢洪道最大泄洪落差為100. 0m,最大單寬流量258. 0 m3/ (s·m);溢洪道堰頂距消力池底板高差118. 0m;溢洪道坡度為22. 2%,寬度為73. 5 m;跌坎高度為15. 7 m;消力池左右對稱布置,長度為131. 0m,深度為24. 0m,底部寬度為84. 0 m,邊墻坡度為1∶0. 30,尾坎迎水面坡度為1∶2. 5;消力池底部寬度與溢洪道泄槽寬度的比值約為1. 14。

模型按重力相似律設(shè)計,模型幾何比尺Lr=50,模型布置如圖1所示,跌坎體型如圖2中“體型1”所示。消力池底板中心線共布置26個脈動壓強測點,間隔10. 0 cm(原型5. 0m);位于泄槽邊墻延長線附近的A列和靠近邊墻的B列各布置15個脈動壓強測點,在消力池上游1/3范圍內(nèi)測點間隔10. 0 cm(原型5. 0 m)、下游2/3范圍內(nèi)測點間隔20. 0 cm(原型10. 0 m),脈動壓強測點布置如圖3所示。采用中國水利科學(xué)研究院提供的硅壓阻式差壓傳感器和64通道DJ800采集系統(tǒng)對各測點的脈動壓強進(jìn)行同步測量、數(shù)據(jù)采集和分析,采樣頻率f = 50 Hz,樣本容量N=8192。

圖1 模型布置

圖2 消力池跌坎體型

圖3 模型脈動壓強測點布置(單位:cm)

2 脈動壓強的幅值特性

2. 1 脈動壓強系數(shù)

跌坎消力池跌坎高度與壩高的比值a/ H=0. 13 (a為跌坎高度,即跌坎至消力池底板的高度;H為壩高,即溢流壩頂至消力池底板的高度)。引入無量綱化參數(shù)——反映水流條件的流能比k、表征脈動壓強強度的脈動壓強系數(shù)ξ、測點相對位置η,計算公式分別為

式中:q為單寬流量,m3/ (s·m); h為上下游水位差,m;σp為水流脈動壓強,kPa;x為測點與消力池首端的距離,m;l為消力池長度,m。

同步測量跌坎消力池底板上表面的水流脈動壓強,脈動壓強的幅值特性可以用脈動壓強系數(shù)ξ來表示,其沿程分布如圖4所示。

由圖4可見,脈動壓強系數(shù)ξ及最大脈動壓強系數(shù)ξmax(ξmax為同一水流條件下沿程最大測點的脈動壓強系數(shù))均隨流能比k的增大而增大。①k = 0. 044～0. 054范圍內(nèi),中線、A列、B列上表面脈動壓強幅值基本相當(dāng),隨流能比的增大各列脈動壓強的增幅很小,且基本呈沿程減小的趨勢但沿程變化幅度不大。A列ξmax略高于中線和B列,A列相對于B列的增幅在13. 7%～32. 4%。②在消力池上游約1/3范圍內(nèi),流能比從0. 054增大到0. 056時脈動壓強系數(shù)大幅增大且A列脈動壓強增幅尤為明顯:A列η= 0. 10測點的脈動壓強系數(shù)增幅達(dá)217. 4%;B列η=0. 14測點的脈動壓強系數(shù)增幅達(dá)51. 4%。A列ξmax遠(yuǎn)高于中線和B列,k = 0. 056時A列相對于B列的增幅達(dá)到最大,為177. 8%。③在k=0. 056～0. 086范圍內(nèi),各列脈動壓強系數(shù)沿程先增大后減小,隨流能比的增大各列脈動壓強的增幅相對較小。在消力池上游約1/3范圍內(nèi),A列脈動壓強系數(shù)明顯大于中線和B列,中線和B列上表面脈動壓強幅值相當(dāng);k=0. 086時A列脈動壓強最大達(dá)到總水頭的11. 5%,中線和B列脈動壓強相當(dāng),最大達(dá)到總水頭的5. 1%。在消力池下游約2/3范圍內(nèi),脈動壓強系數(shù)隨流能比增大的增幅趨于平穩(wěn)且各列脈動壓強系數(shù)基本相當(dāng)。

圖4 脈動壓強系數(shù)沿程分布及橫向?qū)Ρ?/p>

從k=0. 054增大到k=0. 056的過程中脈動壓強大幅增大主要是在該過程中消力池內(nèi)水流流態(tài)發(fā)生了變化,k=0. 044～0. 051時水流流態(tài)為面流,k= 0. 054時水流流態(tài)為面流向底流過渡,由跌坎頂部射出的水流不能彎曲向下潛入池底,主流大體上沿著水平方向逐漸擴(kuò)展,流速較高的部分始終位于水流的表面,消力池底板脈動壓強較小。k = 0. 056～0. 086時水流流態(tài)為底流,由跌坎頂部射出的水流受重力作用彎曲向下跌入消力池中形成底流型的銜接,在消力池上游約1/3范圍內(nèi)形成劇烈的漩滾,從而導(dǎo)致消力池底板脈動壓強急劇增大。A列脈動壓強系數(shù)明顯大于中線和B列主要是由于在突擴(kuò)處存在回流引起的,由于存在突擴(kuò)和主流的卷吸作用,水流進(jìn)入消力池后在主流兩側(cè)形成兩個對稱的存在立軸漩渦的回流區(qū)。A列脈動壓強測點布置在泄槽邊墻延長線的附近,正好處于主流區(qū)和回流區(qū)的交界面上,存在較大的流速梯度,從而引起強烈的紊動摻混現(xiàn)象,導(dǎo)致該列脈動壓強明顯增大。在消力池下游約2/3范圍內(nèi),水流流速和紊動程度沿程減小且兩側(cè)回流的影響減弱,消力池底部水流平順,從而導(dǎo)致消力池底板脈動壓強隨水流條件、沿程及橫向的變化不大。因此從脈動壓強的角度考慮,消力池前端位于泄槽邊墻延長線附近的區(qū)域是消力池中脈動壓強最大的區(qū)域,應(yīng)該加強防護(hù)。

2. 2 脈動壓強的概率密度

水流脈動壓強的幅值特性可以用其概率密度函數(shù)來表示,概率密度是否正態(tài)分布是研究脈動壓強所關(guān)心的問題。通過計算脈動壓強的偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)也可以判別其概率密度的正態(tài)性。

A列脈動壓強標(biāo)準(zhǔn)化后的概率密度如圖5所示,偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)如圖6所示。

圖5 A列典型測點(η=0. 13)概率密度

由圖5可知,脈動壓強概率密度分布基本一致且基本符合正態(tài)分布,但都比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布高瘦;概率密度分布隨流能比的增大變得更加平緩,更加接近標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布;在k = 0. 054時與k = 0. 056時A列概率密度差別較大,k=0. 054時的概率密度明顯高瘦,而k=0. 056與k=0. 058時的概率密度比較平緩且非常接近,說明k=0. 056時比k=0. 054時脈動幅值范圍有明顯的增加,脈動的劇烈程度明顯加劇,脈動壓強大幅增強。中線和B列在各水流條件下概率密度都基本相當(dāng)且基本符合正態(tài)分布。由圖6可知,脈動壓強的偏態(tài)系數(shù)集中在0附近(-1. 0～1. 0之間),說明脈動壓強出現(xiàn)正偏和負(fù)偏的幾率均等;峰度系數(shù)多數(shù)超過3. 0,說明在多數(shù)水流條件下底板上表面脈動壓強的概率密度比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布更加高瘦。

圖6 A列偏態(tài)系數(shù)和峰度系數(shù)

3 脈動壓強的相關(guān)特性及空間積分尺度

3. 1 相關(guān)系數(shù)

消力池底板脈動壓強的時空相關(guān)系數(shù)表示在不同時刻不同位置測點脈動壓強之間的相互依存關(guān)系,同時反映大尺度渦旋在一定空間范圍內(nèi)保持其尺度隨水流向下游傳播的特性。自相關(guān)系數(shù)反映同一測點在不同時刻的相關(guān)性;互相關(guān)系數(shù)反映同一時刻不同測點之間的相關(guān)性,同時反映該位置渦旋尺度的大小。典型測點的自相關(guān)系數(shù)如圖7所示, A、B兩列沿程和A-B列橫向的互相關(guān)系數(shù)如圖8所示。

圖7 典型測點(η=0. 13)自相關(guān)系數(shù)

圖8 互相關(guān)系數(shù)沿程分布

由圖7可知,B列自相關(guān)系數(shù)曲線高于A列; A、B列自相關(guān)系數(shù)曲線均隨流能比的增大而降低, k=0. 056相比k = 0. 054降幅明顯;k = 0. 086相比k=0. 056自相關(guān)系數(shù)變化幅度不大。

由圖8可知,A、B兩列沿程和A-B列橫向的互相關(guān)系數(shù)變化趨勢一致,隨著流能比的增大而降低且沿程先略微降低后增大,消力池前端η= 0. 06～0. 18范圍內(nèi)測點的互相關(guān)系數(shù)最小,消力池末端測點的互相關(guān)系數(shù)最大,最大約為0. 8;B列及A-B列橫向(同樁號測點原型橫向間距10. 0 m)互相關(guān)系數(shù)基本相當(dāng),A列互相關(guān)系數(shù)低于B列但相差很小。

3. 2 空間積分尺度

脈動壓強的空間積分尺度可以表示紊流大渦旋的平均尺度,且能夠決定脈動壓強保持相同相位向下游傳遞區(qū)間的大小。消力池底板脈動壓強的空間積分尺度與坎高的比值的沿程分布如圖9所示。

圖9 空間積分尺度與坎高的比值的沿程分布

由圖9可知,A列脈動壓強空間積分尺度略小于B列且分布趨勢基本一致:k=0. 054時脈動壓強空間積分尺度沿程先減小,在η=0. 10～0. 14之間達(dá)到最小而后沿程增大; k = 0. 056與k = 0. 058時脈動壓強空間積分尺度變化趨勢一致且基本沿程增大。在消力池上游約1/5范圍內(nèi)脈動壓強空間積分尺度基本相當(dāng),在消力池下游約4/5范圍內(nèi)k = 0. 054時較k=0. 056時脈動壓強空間積分尺度有明顯增大。脈動壓強空間積分尺度隨流能比的增大而減小;空間積分尺度與脈動壓強系數(shù)分布趨勢相反。

4 脈動壓強的頻譜特性

在頻域范圍內(nèi)脈動能量的分布情況可以用脈動壓強功率譜密度表示。A列典型測點脈動壓強歸一化功率譜密度如圖10所示。

圖10 A列典型測點(η=0. 10)歸一化功率譜密度

由圖10可知,歸一化功率譜密度分布曲線基本隨流能比的增大而增大,且隨流能比的增大其頻率范圍擴(kuò)大并向高頻轉(zhuǎn)化。脈動能量主要由低頻大尺度渦旋決定,在消力池上游約1/3范圍內(nèi),k=0. 054 時A列能量集中在1. 0 Hz以內(nèi);k = 0. 056與k = 0. 058時A列能量集中在3. 0 Hz以內(nèi),B列能量集中在2. 0 Hz以內(nèi)(圖略);在消力池下游約2/3范圍內(nèi),各水流條件下脈動能量都集中在0. 5 Hz以內(nèi)。A、B兩列歸一化功率譜密度曲線分布規(guī)律基本一致,在k=0. 044～0. 054時A列的歸一化功率譜密度略高于B列,在k=0. 056～0. 086時A列的歸一化功率譜密度明顯高于B列。

5 跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池脈動壓強對比

為了研究跌坎對消力池脈動壓強的影響,保持其他結(jié)構(gòu)不變僅改變跌坎體型,溢洪道末端用“圓弧段+直線段”與消力池銜接構(gòu)成傳統(tǒng)消力池,圓弧段半徑為45. 0 m(原型)、直線段坡度為1∶1. 33,如圖2中“體型2”所示。

將相同水流條件下跌坎消力池和傳統(tǒng)消力池中線上表面的脈動壓強系數(shù)進(jìn)行對比,如圖11所示, 圖11(a)為流能比k = 0. 086時脈動壓強系數(shù)的沿程分布對比,圖11(b)為各種水流條件下最大脈動壓強系數(shù)ξmax對比。流能比k=0. 086時消力池A、B兩列脈動壓強系數(shù)的沿程分布對比如圖12所示。

由圖11可知,傳統(tǒng)消力池與跌坎消力池底板中線的脈動壓強沿程分布不同。傳統(tǒng)消力池脈動壓強峰值出現(xiàn)在消力池首端,脈動壓強呈沿程衰減的趨勢,在消力池前半段衰減較快,消力池后半段衰減緩慢最終趨于穩(wěn)定;跌坎消力池底板脈動壓強在沖擊點附近存在一個脈動壓強強度和強度梯度都比較大的區(qū)域,脈動壓強強度在沖擊點最大,沿程呈先增大后減小的趨勢。

圖11 消力池中線脈動壓強系數(shù)對比

圖12 消力池A、B兩列脈動壓強系數(shù)沿程分布對比(k=0. 086)

由圖11和圖12可知:跌坎消力池前端中線上表面的脈動壓強比傳統(tǒng)消力池有明顯降低,最大脈動壓強降幅達(dá)到55. 2%;在消力池的中后部跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池的脈動壓強相當(dāng);A、B兩列跌坎消力池與傳統(tǒng)消力池的脈動壓強相當(dāng)?？梢?跌坎消力池能有效地降低消力池前端中線上表面的脈動壓強,對于底板安全運行有利;而對消力池中后部以及A、B兩列的脈動壓強影響較小。

6 結(jié) 論

a.水流條件是影響脈動壓強的主要因素,脈動壓強系數(shù)隨流能比的增大而增大。

b.跌坎消力池上游約1/3范圍內(nèi),消力池底板中線和靠近邊墻的B列的脈動壓強相當(dāng),最大脈動壓強達(dá)到總水頭的5. 1%;位于泄槽邊墻延長線附近的A列脈動壓強在k=0. 056與k=0. 086時遠(yuǎn)大于中線和B列,最大達(dá)到總水頭的11. 5%;在流能比k=0. 054增大至k=0. 056時各列脈動壓強大幅增加,A列增幅尤為明顯,最大增幅超過200%。在消力池下游約2/3范圍內(nèi),消力池底部水流平順,上游水流條件及測點位置的變化對脈動壓強的影響不大。

c.跌坎消力池前端位于泄槽邊墻延長線附近區(qū)域的脈動壓強最大,應(yīng)該加強防護(hù)。

d.跌坎消力池前端中線的脈動壓強比傳統(tǒng)消力池有明顯降低,最大脈動壓強降幅達(dá)到55. 2%。

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Experimental study on fluctuating pressure of stilling basin with drop sill

/ / YANG Min, LI Huiping, GOU Wenjuan, YIN Hongxia(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin Uniυersity, Tianjin 300072, China)

Abstract:In order to thoroughly research the hydrodynamic characteristics of a stilling basin with a drop sill, and provide a reference for its design and protection, the distribution characteristics, amplitude, and spectral features of the fluctuating pressure were studied based on physical model experiments. The experimental results show that the flow condition is the main factor influencing the fluctuating pressure, and the fluctuating pressure coefficient of the stilling basin slab increases and then decreases in the direction of streamflow, before finally stabilizing. The fluctuating pressure of the middle line of the slab is close to that of the side wall, and the maximum fluctuating pressure at these two locations reaches 5. 1% of the total water head. The maximum fluctuating pressure occurs in the region near the chute sidewall extension line in the front of the stilling basin, and it reaches 11. 5% of the total water head. Compared with a traditional stilling basin, the fluctuating pressure of the middle line in the front of the stilling basin significantly decreases, and the maximum difference reaches 55. 2%.

Key words:stilling basin with drop sill; hydrodynamic characteristic; fluctuating pressure; power spectrum; total water head

(收稿日期:2014- 12 26 編輯:熊水斌)

DOI:10. 3880/ j. issn. 1006- 7647. 2016. 02. 005

作者簡介:楊敏(1956—2015),男,教授,博士,主要從事工程水力學(xué)研究。E-mail: ymhjtju@163. com

基金項目:國家自然科學(xué)基金(51509180)

中圖分類號:TV135. 2;TV653+. 1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1006- 7647(2016)02- 0024- 06