崔召王海軍田野

摘要：跌坎型底流消能工消力池內(nèi)的流態(tài)為淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)，為了解淹沒射流區(qū)的水力特性，應(yīng)用紊動射流理論，分析了淹沒射流區(qū)主流的擴散規(guī)律、主流軸向最大時均速度的衰變規(guī)律。采用水力學(xué)試驗方法，借鑒目前研究成果的基礎(chǔ)上，開展了淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰變規(guī)律的研究。通過試驗研究結(jié)果，推導(dǎo)出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰變的半經(jīng)驗公式。

關(guān)鍵詞：跌坎型底流消能工；淹沒射流區(qū)；水力特性；紊動射流理論；流速衰變規(guī)律；水力學(xué)試驗；入池角度；半經(jīng)驗計算公式

中圖分類號：TV135 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

16721683（2016）05015706

Formula of flow rate decay of submerged jet area in fallingsill bottomflow energy dissipation

CUI Zhao1，WANG Haijun1，TIAN Ye2

（1.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；

2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

）

Abstract：The flow pattern in the stilling basin of fallingsill bottomflow energy dissipation was submerged jet and submerged jump mixing flow pattern.In order to understand hydraulic characteristics of the submerged jet region，the mainstream diffusion regularity of submerged jet area and the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity was analyzed by applying plane turbulent jet theory.Based on the hydraulic model experiments，and the results of previous studies，the research on attenuation rule of the mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was conducted.Based on the experimental research results，the Semiempirical formula was deduced，in which the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was controlled by the intake angle.

Key words：fallingsill bottomflow energy dissipation；submerged jet area；hydraulic characteristics；turbulent jet theory；velocity attenuation rule；the hydraulic model experiments；the intake angle；the semiempirical formula.

1 平面自由紊動射流理論

1.1 紊動射流的分區(qū)結(jié)構(gòu)

紊動射流的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為便于分析，常根據(jù)不同的流動特征將射流劃分為不同的區(qū)域，見圖1 [1]。

由噴管出口邊界起向內(nèi)外擴展的剪切流動區(qū)稱為自由剪切層區(qū)或紊動混合區(qū)；中心部分未受紊動混摻影響，并保持噴管速度的區(qū)域稱為射流核心區(qū)；沿著縱向從噴管出口至核心區(qū)末端的區(qū)域稱為射流的初始段或射流的發(fā)展區(qū)；在初始段下游區(qū)域絕大部分為充分發(fā)展的紊動混摻區(qū)，稱為射流的主體段或射流的充分發(fā)展區(qū)；在射流的初始段和主體段之間有過渡段。過渡段較短，在分析中為簡化起見常被忽略，僅將射流分為初始段和主體段[2]。

1.2 紊動射流流速分布的相似性

紊動射流一個重要的特點是：在射流的主體段，各斷面縱向時均速度分布是相似的或自保持的[3]，即各斷面縱向時均速度分布可用一個函數(shù)表示為：

2 跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流擴散規(guī)律

跌坎型底流消能工[46]的體型為在消力池進(jìn)口處，將消力池的底板向下開挖形成跌坎[7]，構(gòu)成縱剖面上有一定垂直深度的跌坎型消力池。從流態(tài)特點來看，底流流態(tài)為淹沒射流和淹沒水躍的混合流態(tài)[8]，沿主流方向可分為淹沒射流區(qū)、沖擊區(qū)、附壁射流區(qū)，見圖2 [9]。

3 淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰變理論公式

3.1 目前研究成果

針對平面自由紊動射流水力特性，國外學(xué)者Forthmann早在1934年就對其進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究，所獲得的縱向時均速度分布結(jié)果成為后來各種理論分析的基礎(chǔ)[1]。其后，又有多名學(xué)者對平面自由紊動射流進(jìn)行了更詳細(xì)的、范圍更廣的量測。

Abramovich（1963）根據(jù)Forthmann等的實驗結(jié)果，推求出射流軸向最大時均速度衰變式為：

本文選取跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度為研究對象，著重分析了其與跌坎型底流消能工入池角度之間的關(guān)系。

4 試驗及成果

4.1 試驗裝置和研究內(nèi)容

試驗裝置采用有機玻璃制作而成，試驗段消力池的尺寸為12 m×02 m（長×寬）。消力池的跌坎深度分別取006 m、008 m、010 m，泄槽底板末端入池處高程始終與消力池尾坎坎頂高程相同。水流入池角度分別取30°、45°。消力池的入池流量分別為6135×103 m3/s、8027×103 m3/s、10320×103 m3/s。試驗中通過對跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度的量測，分析了淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度的衰變規(guī)律，推求出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰變的半經(jīng)驗計算公式，并對其進(jìn)行了初步研究與總結(jié)。

4.2 試驗成果

跌坎型底流消能工的入池水流進(jìn)入消力池后，由于跌坎的作用，入射水流以淹沒射流的形式存在[1415]。在淹沒射流區(qū)內(nèi)，入射水流克服消力池內(nèi)的水體沿程內(nèi)摩擦切應(yīng)力而做功，使得入射水流的動能沿程消散、轉(zhuǎn)移與輸運，從而降低了入射主流的流速。采用水力學(xué)試驗方法，通過改變?nèi)氤啬芰?，跌坎深度以及入池角度之間的關(guān)系，研究跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度的衰變規(guī)律，同時初步推求出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰變的半經(jīng)驗計算公式。

為研究跌坎深度的變化對于淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減的影響，分析入池角度一定的工況下，淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減趨勢。

當(dāng)入池角度為30°時，在不同跌坎深度的工況下，隨著入池能量的改變，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)[JP3]主流軸向最大時均速度衰減的實測試驗數(shù)據(jù)值見表1。

綜上所述，入池角度的改變對跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減規(guī)律的影響較大；而在相同入池角度的工況下，跌坎深度的改[HJ2.2mm]變對淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減規(guī)律的影響較小，故以入池角度為控制目標(biāo)推求出跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減的半經(jīng)驗公式。

5 結(jié)語

本文基于紊動射流理論，結(jié)合跌坎型底流消能工底流流態(tài)特征，同時在借鑒目前研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出以入池角度為控制目標(biāo)的跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減的半經(jīng)驗公式如下：

入池角度為30°時，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸向最大時均速度衰減率大于入池角度為45°時的最大時均速度衰減率。這是由于隨著入池角度的增大，跌坎型底流消能工淹沒射流區(qū)主流軸線長度逐漸減小，使得淹沒射流區(qū)主流的擴散程度逐漸降低，故跌坎型底流消能工消能率的提高不能一味追求入池角度的增大。

[HS2]參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 劉沛清.自由紊動射流理論[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.（LIU Peiqing.Freedom turbulent jet theory [M].Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2008.（in Chinese））

[2] 田野.跌坎型底流消能工沖擊區(qū)底板荷載計算[D].昆明.昆明理工大學(xué)，2014.（TIAN Ye.The load calculation in the impact zone plate of energy dissipater with stepdown floor in the impact area[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2014.）

[3] 劉沛清.現(xiàn)代壩工消能防沖原理[M].北京：科學(xué)出版社，2009.（LIU Peiqing.Modern dam energy dissipation principle [M].Beijing：Science Press，2009.（in Chinese））

[4] 孫雙科，柳海濤，夏慶福，等.跌坎型底流消力池的水力特性與優(yōu)化研究[J].水利學(xué)報，2005，36（10）：11881193.（SUN Shuangke，LIU Haitao，XIA Qingfu，et al.Study on stilling basin with stepdown floor for energy dissipation of hydraulic jump in high dams[J].Journal of Hydraulic Engineering，2005，36（10）：11881193.（in Chinese））

[5] 王海軍，趙偉，楊紅宣，等.跌坎型底流消能工水力特性的試驗研究[J].水利水電技術(shù)，2007，38（10）：3941.（WANG Haijun，ZHAO Wei，YANG Hongxuan，et al.Experimental study on hydraulic characteristics of underflow for energy dissipator with stepdown floor[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2007，38（10）：3941.（in Chinese））

[6] 張功育，湯健，王海軍，等.跌坎式底流消能工的消能機理分析與研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2005，3（6）：4345.（ZHANG Gongyu，TANG Jian，WANG Haijun，et al.Analysis and Research of Energy Dissipation for Fallingsill Bottomflow[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2005，3（6）：4345.（in Chinese））

[7] 王海軍，楊紅宣，王立輝.跌坎型底流消能工控制臨底流速的跌坎最小深度[J].水利水運工程學(xué)報，2008，（1）：7881.（WANG Haijun，YANG Hongxuan，WANG Lihui.Minimum depth of fallingsill aiming at controlling underflow speed of fallingsill of fallingsill bottomflow dissipation[J].HydroScience and Engineering，2008，（1）：7881.（in Chinese））

[8] 秦翠翠，楊敏，董天松.跌坎消力池水力特性試驗研究[J].南[HJ2mm]水北調(diào)與水利科技，2011，9（6）：119122.（QIN Cuicui，YANG Min，DONG Tiansong.Hydraulic characteristics of the Stilling Basin with Drop Sill[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2011，9（6）：119122.（in Chinese））

[9] 田野，王海軍，林賽，等.跌坎型底流消能工沖擊區(qū)時均動水壓強計算與試驗[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（5）：1417.（TIAN Ye，WANG Haijun，LIN Sai，et al.Timeaveraged hydrodynamic pressure and experimental study of energy dissipater with stepdown floor in the impact area[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（5）：1417.（in Chinese））[ZK）]

[10] [ZK（#]徐常昭.紊動射流[M].北京：高等教育出版社，1993.（XU Changzhao.Turbulent Jet[M].Beijing：Higher Education Press，1993.（in Chinese））

[11] 董志勇.射流力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.（DONG Zhiyong.Jet Mechanics[M].Beijing：Science Press，2005.（in Chinese））

[12] 陳朝，王立輝，王海軍.跌擴型底流消能工消能的試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2012，31（4）：145149.（CHEN Zhao，WANG Lihui，WANG Haijun.Experimental study on energy dissipation of expanding fallingsill bottomflow energy dissipater[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2012，31（4）：145149.（in Chinese））[HJ1.95mm]

[13] 蔣霖波.跌坎型底流消能工不同水流結(jié)構(gòu)分區(qū)對底板作用力的研究[D].昆明.昆明理工大學(xué)，2013.（JIANG Linbo.Study on the force of different flow structure partition to the stilling of fallingsill bottomflow energy dissipation[D].Kunming：Kunming University of Science and Technology，2013.）

[14] 王海軍，梅偉，張強.跌坎式底流消能工坎后橫軸漩渦水力特性研究[J].水利水電技術(shù)，2008，39（5）：2325.（WANG Haijun，MEI Wei，ZHANG Qiang.Study on hydraulic characteristics of transverse vortex behind sill of energy dissipator with stepdown floor[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2008，39（5）：2325.（in Chinese））

[15] 賴成連，趙亞光，鐘志鐳，等.底流消能的跌坎型消力池再附長度的試驗研究[J].云南水力發(fā)電，2007，23（6）：3941.（LAI Chenglian，ZHAO Yaguang，ZHONG Zhilei，et al.Test and Study of Additional Length of a Drop Type Plunge Pool for Underflow Energy Dissipation[J].Yunnan Water Power，2007，23（6）：3941.