馬 飛,王 宇

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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邊表孔閘前吸氣旋渦試驗(yàn)研究

馬 飛,王 宇

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

針對(duì)多泄洪表孔的邊表孔閘前極易產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸氣旋渦的問(wèn)題,試驗(yàn)觀察了邊表孔閘前水流流態(tài),分析了旋渦成因,并詳細(xì)研究了工作水頭、閘門(mén)開(kāi)度、繞流距離及相鄰表孔運(yùn)行方式對(duì)吸氣旋渦的影響以及吸氣旋渦對(duì)表孔側(cè)墻壓力的影響。結(jié)果表明:該吸氣旋渦主要是由邊墩繞流效應(yīng)引起,是發(fā)生在邊表孔的特殊水流現(xiàn)象;旋渦渦心直徑隨工作水頭和繞流距離的增大而增大,隨閘門(mén)開(kāi)度的增大而減小;相鄰表孔全開(kāi)與局部開(kāi)啟相比,邊表孔閘前漩渦更大;吸氣旋渦導(dǎo)致表孔下游側(cè)墻出現(xiàn)負(fù)壓,可能造成側(cè)墻空蝕破壞,在實(shí)際工程中應(yīng)注意對(duì)此類旋渦進(jìn)行控制。

吸氣旋渦;泄洪表孔;工作閘門(mén);邊墩繞流;試驗(yàn)研究

具有自由表面的吸氣旋渦常發(fā)生在水電站的進(jìn)水口或檢修閘門(mén)門(mén)槽處,它會(huì)引起降低過(guò)流能力、水流波動(dòng)、空蝕破壞、結(jié)構(gòu)振動(dòng)及吸入水面漂浮物并堵塞進(jìn)水口等問(wèn)題[1]。根據(jù)旋渦的形態(tài)和強(qiáng)度,可定性地分為不吸氣旋渦、間歇性吸氣旋渦和吸氣旋渦三大類,其中對(duì)工程安全危害最大的是吸氣旋渦[2]。若干年來(lái),吸氣旋渦問(wèn)題吸引了眾多研究者的關(guān)注,Luca等[3]試驗(yàn)研究了旋渦吸氣發(fā)生點(diǎn),Georg等[4]研究了旋渦卷吸空氣量,Jens等[5]用PIV觀測(cè)了旋渦流場(chǎng)。然而,由于存在氣水交界面,理論上研究吸氣旋渦的形成和發(fā)展仍較為困難[6- 7]。研究表明，進(jìn)水口前旋渦的影響因素主要有淹沒(méi)水深、進(jìn)口形狀、邊界條件等[8]，進(jìn)水口淹沒(méi)水深對(duì)旋渦的形成和發(fā)展是重要的[9],然而,由于旋渦的影響因素較多,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)進(jìn)水口的臨界淹沒(méi)水深仍是十分困難的。所以工程中常采用的消渦措施還是消渦梁、消渦柵和隔墻等[10]。

除了進(jìn)水口和閘門(mén)門(mén)槽外,表孔閘門(mén)局部開(kāi)啟形成閘孔出流時(shí),閘前往往也會(huì)出現(xiàn)旋渦。裴少鋒[11]試驗(yàn)研究了對(duì)稱進(jìn)口邊界條件下的表孔閘前旋渦,發(fā)現(xiàn)一個(gè)閘孔前常有左、右兩個(gè)強(qiáng)度相同的旋渦。在閘門(mén)開(kāi)度較大的工況下,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的間歇吸氣漏斗旋渦。然而,對(duì)于多表孔中的邊表孔,其邊墩與庫(kù)岸之間存在一定距離,因此邊墩的繞流效應(yīng)較中墩大很多。當(dāng)邊表孔閘孔出流時(shí),邊墩繞流效應(yīng)會(huì)形成強(qiáng)度較大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng),從而促進(jìn)了閘前吸氣旋渦的形成和發(fā)展。本文試驗(yàn)觀察了這種因邊墩繞流效應(yīng)引起的表孔閘前吸氣旋渦,并研究了工作水頭、閘門(mén)開(kāi)度、邊墩繞流距離和相鄰閘門(mén)運(yùn)行方式對(duì)吸氣旋渦的影響以及此類旋渦對(duì)表孔側(cè)墻壓力分布的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在河海大學(xué)高速水流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。模型試驗(yàn)以某水電樞紐工程為原型,模型比尺為1∶ 80。該樞紐工程由碾壓混凝土重力壩、壩身開(kāi)敞式溢流表孔和右岸引水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房等主要建筑物組成。最大壩高121.00 m,河床壩段布置3孔開(kāi)敞式溢流表孔,表孔尺寸為13.00 m×20.50 m(寬×高), 設(shè)計(jì)最大下泄流量為11 166 m3/s。圖1為表孔物理模型照片。表孔泄洪時(shí),水流自岸邊向邊墩內(nèi)側(cè)橫向流動(dòng),產(chǎn)生邊墩繞流,因此將邊墩內(nèi)側(cè)到庫(kù)岸的距離定義為繞流距離。本研究涉及的物理參數(shù)如下:繞流距離s,閘門(mén)開(kāi)度e,表孔工作水頭H,表孔凈寬B(模型尺寸B=16.25 cm),各參數(shù)于圖2中示出。試驗(yàn)中工作水頭用水位測(cè)針測(cè)量,測(cè)量精度為0.1 mm。表1列出了模型試驗(yàn)參數(shù),其中,M1～M4用于研究工作水頭的影響,M5～M7用于研究閘門(mén)開(kāi)度的影響,M8～M10用于研究繞流距離的影響,M11、M12與M2、M3用于研究相鄰表孔運(yùn)行方式的影響。

圖1 表孔物理模型

為了研究吸氣旋渦強(qiáng)度,需要測(cè)量旋渦渦心直徑。直接測(cè)量水面處的渦心直徑誤差較大,水面以下1 cm深度附近渦心變化較小,試驗(yàn)中將此處的旋渦直徑定義為渦心直徑,用D表示。測(cè)量時(shí)采用測(cè)針豎向定位,用游標(biāo)卡尺測(cè)量渦心直徑,由于旋渦的不穩(wěn)定性,多次測(cè)量后取平均值,渦心直徑測(cè)量精度為2 mm。為了研究旋渦對(duì)側(cè)墻壓力的影響,在左邊表孔左側(cè)墻沿程布置了11個(gè)測(cè)壓點(diǎn),測(cè)壓點(diǎn)距表孔底板均為3 cm。堰頂為x坐標(biāo)軸原點(diǎn),測(cè)壓點(diǎn)1～11的x坐標(biāo)分別為0、7.0 cm、9.2 cm、16.3 cm、22.0 cm、29.0 cm、37.5 cm、45.8 cm、53.0 cm、56.4 cm和59.0 cm,見(jiàn)圖2(b)。

表1 模型試驗(yàn)參數(shù)

圖2 模型試驗(yàn)裝置示意圖

2 流態(tài)觀察

圖3 左邊表孔閘門(mén)前的吸氣旋渦

圖3是試驗(yàn)方案M8的左邊表孔閘前流態(tài)照片(中表孔全開(kāi),左邊表孔閘門(mén)開(kāi)度為5.6 cm,工作水頭為28.9 cm,繞流距離為35 cm)。從圖3中的水流流線可以看出:左邊表孔左邊墩繞流效應(yīng)十分明顯,漩渦轉(zhuǎn)流自庫(kù)岸始,直至左邊表孔的右邊墩處。在漩渦轉(zhuǎn)流的作用下,閘前產(chǎn)生了一個(gè)較大的吸氣旋渦。吸氣旋渦通過(guò)閘門(mén)底緣向下游流動(dòng),在表孔下游側(cè)墻附近潰滅,引起水流波動(dòng)。所以,本試驗(yàn)觀察到的表孔閘前吸氣旋渦是由邊墩繞流效應(yīng)引起的,由于該旋渦較強(qiáng)且極易發(fā)生,所以對(duì)工程安全的危害較大。試驗(yàn)也觀察了中表孔閘前旋渦情況,中表孔閘前旋渦是成對(duì)出現(xiàn)的,即一個(gè)閘孔前有左、右兩個(gè)旋渦。中表孔閘門(mén)小開(kāi)度時(shí)僅在檢修門(mén)槽附近出現(xiàn)微弱旋渦,無(wú)吸氣。在閘門(mén)開(kāi)度大且淹沒(méi)深度一定時(shí),才會(huì)出現(xiàn)間歇性吸氣漏斗旋渦,這和對(duì)稱進(jìn)口邊界條件下的表孔閘前旋渦現(xiàn)象是一致的[11]。

3 吸氣旋渦的特性

3.1 工作水頭和閘門(mén)開(kāi)度對(duì)吸氣旋渦的影響

試驗(yàn)研究中,中表孔閘門(mén)全開(kāi)。以左邊表孔為例,圖4給出了繞流距離一定(s=35 cm),不同閘門(mén)開(kāi)度下的相對(duì)工作水頭H/e與旋渦渦心直徑D的關(guān)系。從圖4可以看出:在不同閘門(mén)開(kāi)度下,當(dāng)相對(duì)工作水頭H/e達(dá)到某一臨界值時(shí),邊表孔閘前開(kāi)始形成吸氣旋渦,并且渦心直徑D隨H/e的增大而線性增加。盡管在對(duì)稱進(jìn)口條件下的單表孔試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)閘前旋渦存在臨界淹沒(méi)深度[11],但由于邊墩繞流引起的邊表孔閘前旋渦強(qiáng)度較大,且邊表孔工作水頭有限,水深達(dá)不到臨界淹沒(méi)深度。反而,當(dāng)工作水頭增大時(shí),下泄流量增大,邊墩繞流效應(yīng)增強(qiáng),從而加大了水流旋轉(zhuǎn)速度,旋渦渦心直徑隨之增大。圖5給出了繞岸距離一定(s=35 cm),不同工作水頭下的相對(duì)閘門(mén)開(kāi)度e/H與渦心直徑D的關(guān)系。由圖5可知,當(dāng)工作水頭一定時(shí),閘門(mén)開(kāi)度增大,渦心直徑隨之減小。這主要是因?yàn)?若工作水頭不變,閘門(mén)開(kāi)度減小,則淹沒(méi)水深增大。當(dāng)淹沒(méi)水深較小時(shí),增大淹沒(méi)水深會(huì)增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流動(dòng),故閘門(mén)開(kāi)度減小使閘前旋渦增大。因此,在表孔工作閘門(mén)運(yùn)用中,應(yīng)盡可能避免邊表孔小開(kāi)度運(yùn)行。

圖4 相對(duì)工作水頭與渦心直徑的關(guān)系

圖5 相對(duì)閘門(mén)開(kāi)度與渦心直徑的關(guān)系

圖6 相對(duì)繞流距離與渦心直徑的關(guān)系

3.2 繞流距離對(duì)吸氣旋渦的影響

如前所述,邊表孔閘前吸氣旋渦是由邊墩繞流引起的,所以繞流距離是閘前旋渦的重要影響因素。試驗(yàn)時(shí)中表孔閘門(mén)全開(kāi),圖6給出了左邊表孔在不同閘門(mén)開(kāi)度和工作水頭下的相對(duì)繞流距離s/B與旋渦渦心直徑D的關(guān)系。由圖6可以看出,當(dāng)繞流距離大于某一臨界值時(shí),閘前旋渦開(kāi)始吸氣。繞流距離增加,邊墩繞流效應(yīng)增強(qiáng),其引起的旋渦渦心直徑相應(yīng)增大。然而當(dāng)相對(duì)繞流距離s/B增大至0.9以后,閘前吸氣旋渦渦心直徑增速顯著減小。為了減小繞流距離,從而減免邊表孔閘前吸氣旋渦,可采用在邊表孔邊墩上游設(shè)置導(dǎo)流墻等工程措施。

3.3 吸氣旋渦對(duì)表孔側(cè)墻壓力的影響

為了研究吸氣旋渦對(duì)表孔側(cè)墻壓力的影響,選擇了相同水力條件下(中表孔全開(kāi),左表孔閘門(mén)開(kāi)度為5.6 cm, 工作水頭分別為25.0 cm和33.3 cm)有吸氣旋渦和無(wú)吸氣旋渦兩種情況下的表孔側(cè)墻壓力進(jìn)行比較。當(dāng)繞流距離s=35 cm時(shí),左表孔閘前發(fā)生了較大吸氣旋渦；當(dāng)繞流距離s=0時(shí),閘前無(wú)吸氣旋渦(圖7)。從圖7還可以看出:當(dāng)閘前發(fā)生吸氣旋渦時(shí),閘后表孔側(cè)墻壓力出現(xiàn)了負(fù)壓,負(fù)壓最大值達(dá)到了-0.44 kPa;而閘前無(wú)吸氣旋渦的表孔側(cè)墻壓力正常,無(wú)負(fù)壓發(fā)生。究其原因,是閘前旋渦吸氣后形成渦管,渦管周?chē)乃鲏簭?qiáng)為負(fù)壓,當(dāng)渦管接觸到下游邊墻壁面附近時(shí),邊墻壁面相應(yīng)產(chǎn)生負(fù)壓。所以,閘前吸氣旋渦會(huì)引起下游邊墻產(chǎn)生空蝕破壞,在實(shí)際工程中應(yīng)注意對(duì)此類旋渦進(jìn)行控制。另外需要說(shuō)明的是,本研究中表孔出口采用窄縫坎挑流消能,故表孔出口段側(cè)墻壓力陡然增高。

圖7 表孔側(cè)墻壓力沿程分布(e=5.6 cm)

3.4 中表孔運(yùn)行方式對(duì)邊表孔閘前旋渦的影響

前述研究是在中表孔工作閘門(mén)全開(kāi)情況下進(jìn)行的。中表孔作為邊表孔的相鄰表孔,其閘門(mén)運(yùn)行方式對(duì)表孔進(jìn)水口流態(tài)有顯著影響,那么也一定會(huì)影響邊表孔閘前旋渦。試驗(yàn)中觀察到:當(dāng)中表孔閘門(mén)與邊表孔同步開(kāi)啟時(shí),在邊表孔閘前也產(chǎn)生了吸氣旋渦(圖8)。為了研究相鄰表孔閘門(mén)運(yùn)行方式對(duì)邊表孔閘前旋渦的影響,以左邊表孔為例,圖9給出了中表孔全開(kāi)和局部開(kāi)啟下邊表孔閘前渦心直徑的比較(中表孔局部開(kāi)啟時(shí)開(kāi)度與邊表孔相同)。由圖9可知,中表孔全開(kāi)工況邊表孔閘前渦心直徑大于局部開(kāi)啟工況,因?yàn)橹斜砜兹_(kāi)時(shí),邊表孔邊墩繞流效應(yīng)更強(qiáng),從而閘前旋渦較大。因此，在實(shí)際工程運(yùn)行中,邊表孔局部開(kāi)啟泄洪時(shí),與其相鄰的表孔應(yīng)盡可能避免全開(kāi)運(yùn)行。

圖8 中表孔局部開(kāi)啟時(shí)邊表孔閘前吸氣旋渦(s=35 cm, e=8 cm, H=25 cm)

圖9 中孔不同運(yùn)行方式下邊表孔閘前渦心直徑的比較

4 結(jié) 論

在邊墩繞流效應(yīng)作用下,邊表孔閘前極易出現(xiàn)較大的吸氣旋渦。由于表孔工作水頭有限,試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)該吸氣旋渦的臨界淹沒(méi)深度。旋渦渦心直徑隨工作水頭和繞流距離的增大而增大,隨閘門(mén)開(kāi)度的增大而減小,故邊表孔應(yīng)盡可能避免小開(kāi)度運(yùn)行,另外可設(shè)置導(dǎo)流墻以減小繞流距離,減免吸氣旋渦。表孔閘前吸氣旋渦隨水流向下游流動(dòng)時(shí),渦管接觸到表孔側(cè)墻并在其附近潰滅,使側(cè)墻壁面產(chǎn)生負(fù)壓,帶來(lái)空化空蝕風(fēng)險(xiǎn)。與邊表孔相鄰的中表孔運(yùn)行方式對(duì)邊表孔閘前旋渦有顯著影響,相鄰表孔全開(kāi)較局部開(kāi)啟時(shí)邊表孔閘前旋渦的渦心直徑更大,故工程中應(yīng)避免邊表孔局部開(kāi)啟而與其相鄰的中表孔全開(kāi)運(yùn)行的情況。

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Experimental study of vortex with air core in front of side crest outlet gate

//MA Fei, WANG Yu

(CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Large free-surface vortex with air-core easily occurs in front of gate at the side crest outlets. A series of physical model tests were conducted to observe the flow patterns, analyze the cause of vortex formation, study the influences of operating head, gate opening, distance from side pier to the reservoir bank and the operation conditions of crest outlet adjacent to side crest outlet on vortex, and discuss the effect of vortex on pressure of crest outlet surface. The results demonstrate that, the large vortex with air-core is mainly generated by flow around side pier, which is a special hydraulic phenomenon occurring at the side crest outlets. The air-core diameter of vortex decreases with the increase of gate opening, and increases with increasing operating head and distance from side pier to the reservoir bank; moreover, the vortex is larger when the gate of crest outlet adjacent to side crest outlet in fully opening than in partially opening conditions; the vortex leads to the occurrence of sub-pressure at the sidewall and even cavitation damage, so it should be controlled for practical engineering.

air core vortex; crest outlet; operation gate; flow around side-pier; experimental study

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.007

國(guó)家自然科學(xué)基金(51579076)

馬飛(1973—),男,副教授,博士,主要從事水工水力學(xué)研究。E-mail: mafei921@163.com

TV131.3+2

A

1006-7647(2016)06-0035-04

2016-05-10 編輯：駱超)