張必師，邱 勇，羅云紅，李生蘊(yùn)，段勝禹

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201)

1 概述

消力井作為一種新型內(nèi)消能工，具有體型簡單、消能率高、地形適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于消力井內(nèi)水流紊動劇烈，底板受下泄水流沖擊作用強(qiáng)烈，易導(dǎo)致底板結(jié)構(gòu)破壞，在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了制約。文獻(xiàn)[1]通過對豎井溢洪道體型優(yōu)化研究，分析了豎井體型變化對水流流態(tài)及各種水力參數(shù)的影響，提出了消力井的合理設(shè)計(jì)尺寸；文獻(xiàn)[2]根據(jù)水工模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了消能井直徑變化對消能井內(nèi)各水力參數(shù)的影響，給出了消能井的合理直徑建議值；侍克斌[3]等人通過模型試驗(yàn)研究，得出消力井水力設(shè)計(jì)基本方法。但上述研究成果都是針對豎向進(jìn)水口的消力井，無法直接應(yīng)用于山區(qū)泄水建筑物泄槽斜向進(jìn)水口消力井設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)方案

消力井進(jìn)口接底坡i=1∶1.5的泄槽(B=0.15m)，內(nèi)直徑0.58m，出口尾水渠和泄槽軸線呈正交布置，底板高程0.50m(與泄槽末端高程一致)，坡度i=0，寬度0.25m，如圖1所示。

圖1 消力井體型示意圖(單位：mm)

3 試驗(yàn)成果分析

消力井底板中心布設(shè)測點(diǎn)0；在井徑D=0.15m(1B)圓周上等角度布設(shè)8個(gè)測點(diǎn)(相距45°)，編號依次為1-1、1-2…1-7、1-8；井徑D=0.30m(2B)圓周上同樣方式布設(shè)8個(gè)測點(diǎn)：2-1、2-2…2-7、2-8；井徑D=0.45m(3B)圓周上測點(diǎn)編號為3-1、3-2…3-7、3-8。底板一共布置25個(gè)測點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 井底板壓強(qiáng)測點(diǎn)

3.1 消力井水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

根據(jù)消力井內(nèi)水流流態(tài)，沿射流軸線方向，將消力井內(nèi)水流結(jié)構(gòu)劃分為：沖擊區(qū)、上附壁射流區(qū)、下附壁射流區(qū)和底部潛流區(qū)，如圖3所示。

圖3 消力井水流結(jié)構(gòu)分區(qū)

沖擊區(qū)：入射水流進(jìn)入消力井，在上部水體作用下，水股出現(xiàn)向下偏折，沖擊到消力井邊壁后，形成向四周擴(kuò)散的附壁射流。

上附壁射流：射流沖擊到消力井邊壁，向上形成附壁射流，并在消力井表面形成明顯的水突和表面旋滾。

下附壁射流：射流沖擊到消力井邊壁，大部分水體沿井壁向下形成附壁射流。

底部潛流：向下的附壁射流，遇到底板后，方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，呈沿底板的潛流，在潛流和入射水股之間形成翻卷的下部旋滾。

3.2 底板動水壓強(qiáng)分析

3.2.1 動水壓強(qiáng)時(shí)均值

入射水流在井底板產(chǎn)生的動水總壓強(qiáng)包括時(shí)均壓強(qiáng)和脈動壓強(qiáng)，時(shí)均壓強(qiáng)可以更好地反映消力井底板整體平均受力情況。根據(jù)試驗(yàn)，得到射流方向底板壓強(qiáng)時(shí)均值見表1。

表1 射流方向底板時(shí)均壓強(qiáng)分布 單位：kPa

由表1可以看出：不管流量大小，底板時(shí)均壓強(qiáng)值在消力井底板中心處均為最小，沿半徑由內(nèi)向外時(shí)均壓強(qiáng)逐漸增大；近泄槽末端消力井中心上游側(cè)的壓強(qiáng)變化幅度小于靠射流沖擊區(qū)消力井中心下游側(cè)；受沖擊區(qū)下附壁射流流速影響，在D=0.45m處測點(diǎn)底板壓強(qiáng)出現(xiàn)明顯上升；在潛流臨底流速作用下，位于D=0.30、D=0.15m處的測點(diǎn)壓強(qiáng)相對于測點(diǎn)3-1和測點(diǎn)2-1、1-1均有所下降。

垂直射流方向的底板時(shí)均壓強(qiáng)值見表2。

表2 垂直射流方向底板時(shí)均壓強(qiáng)分布 單位：kPa

垂直射流方向，消力井中心處時(shí)均壓強(qiáng)最小，在D為0.15、0.30和0.45m處，底板壓強(qiáng)雖略有上升，但幅度均不大。結(jié)合井內(nèi)水流流態(tài)分析，射流在井壁沖擊區(qū)立面上呈360°方向散開，左、右兩側(cè)的貼壁射流強(qiáng)度明顯小于上附壁射流和下附壁射流，射流軸線左側(cè)底板在上部水體重力作用下，水流相對平穩(wěn)，測點(diǎn)1-7、測點(diǎn)2-7和測點(diǎn)3-7壓強(qiáng)幾無變化；而射流軸線右側(cè)為尾水渠出口，井內(nèi)水流上下分層明顯：消力井表面水體呈急速股狀向尾水渠出流，而下層水體相對平穩(wěn)，底板壓強(qiáng)分布沒有明顯變化。

3.2.2 動水壓強(qiáng)不均勻系數(shù)

射流斜向射入消力井中，井內(nèi)流態(tài)復(fù)雜，底板壓強(qiáng)分布極為不均。為便于描述，結(jié)合消力井射流方向水流結(jié)構(gòu)分區(qū)，以底板中心為原點(diǎn)，入射水流方向?yàn)?°方向(順時(shí)針方向?yàn)檎?，將消力井底板分為四個(gè)區(qū)：-45°～45°之間區(qū)域?yàn)棰駞^(qū)，45°～135°之間區(qū)域?yàn)棰騾^(qū)，135°～225°之間區(qū)域?yàn)棰髤^(qū)，225°～360°之間區(qū)域?yàn)棰魠^(qū)。

動水壓強(qiáng)分布不均勻系數(shù)ε為井底板上的壓強(qiáng)波動最大值與消力井底板上各測點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)的平均值之比，可表征底板動水壓強(qiáng)分布的不均勻程度。

沿不同半徑圓周，將各分區(qū)測點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)最大值和最小值之差除以分區(qū)測點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)平均值，得到不均勻系數(shù)ε～D關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 底板壓強(qiáng)不均勻系數(shù)分布圖

由圖4(a)、(d)可知，在D=0.15m處，不均勻系數(shù)均小于0.02；直徑增加到D=0.30m，消力井下游側(cè)靠沖擊區(qū)底板ε下降，射流左側(cè)底板ε稍有上升；直徑D=0.45m時(shí)，下游側(cè)ε出現(xiàn)驟然上升，射流左側(cè)ε則相對平穩(wěn)。由圖4(b)、(c)可以看出，在D=0.15m處，不均勻系數(shù)在0.02～0.04之間；直徑增加到D=0.30m，射流右側(cè)和中心點(diǎn)上游側(cè)ε均出現(xiàn)上升，但數(shù)值不大；直徑D=0.45m時(shí)，射流右側(cè)和中心點(diǎn)上游側(cè)ε同時(shí)出現(xiàn)下降。結(jié)合對表1、表2井底板時(shí)均壓強(qiáng)分布特性分析得出的結(jié)論(沖擊區(qū)下附壁射流和近底板潛流對井底板時(shí)均壓強(qiáng)分布影響較大)，可以認(rèn)為消力井底板動水壓強(qiáng)不均勻系數(shù)在D=0.30m處達(dá)到相對極大值。

3.3 底板脈動壓強(qiáng)分析

3.3.1 脈動壓強(qiáng)方差值

脈動壓強(qiáng)劇烈變化所形成的巨大壓強(qiáng)梯度容易誘發(fā)消力井底板破壞，其方差能很好地反映入射水流脈動變化對底板的影響。

消力井底板不同分區(qū)脈動壓強(qiáng)方差值如圖5所示。

圖5 底板脈動壓強(qiáng)方差分布圖

從圖5可知，在D=0.15m處，方差值在0.02～0.06之間變化；當(dāng)直徑增加到D=0.30m時(shí)，方差值上升，表明脈動強(qiáng)度增加；直徑D=0.45m時(shí)，Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)方差值均有下降，僅在Ⅰ區(qū)稍有上升(方差值達(dá)0.10)。結(jié)合射流方向測點(diǎn)3-1、2-1和1-1壓強(qiáng)時(shí)均值變化及水流結(jié)構(gòu)分析，可以認(rèn)為D=0.30m時(shí)，底板脈動壓強(qiáng)最大。

3.3.2 脈動壓強(qiáng)頻譜特性

按照渦旋理論，固壁上的壓強(qiáng)脈動是由于紊流內(nèi)部存在著不同振幅、頻率及尺度渦旋的隨機(jī)運(yùn)動所引起。壓強(qiáng)脈動的頻譜反映了能量在頻域上的分布，同時(shí)亦表明引起壓強(qiáng)脈動旋渦的構(gòu)成。

消力井底板不同分區(qū)測點(diǎn)沿井徑方向的功率譜分布如圖6所示(Q=18L/s)。

圖6 消力井底板脈動壓強(qiáng)功率譜

消力井內(nèi)水流紊動的底板破壞主要是高頻、小振幅的小尺度旋渦引起。由圖可知，不同分區(qū)沿半徑方向的壓強(qiáng)功率譜幅值變化不大：除了射流下游側(cè)(Ⅰ區(qū))測點(diǎn)3-1處幅值為9.135kPa2，在消力井底板其他區(qū)域(Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū))，脈動壓強(qiáng)功率譜幅值都基本在7.850kPa2左右，半徑的變化對功率譜幅值大小幾無影響。在消力井內(nèi)，無論哪一個(gè)分區(qū)，其底板脈動壓強(qiáng)優(yōu)勢頻率小于0.1Hz，屬于低頻脈動，即便考慮比尺放大，也不會引發(fā)底板的振動破壞。

4 結(jié)語

針對山區(qū)水庫狹窄地形條件，通過水工模型試驗(yàn)，研究斜向進(jìn)水消力井底板動水壓強(qiáng)時(shí)均值及不均勻系數(shù)、脈動壓強(qiáng)方差和頻譜特性的變化規(guī)律。在一定泄洪功率條件下，消力井直徑從0.15m(D=1B)增大到0.30m(D=2B)時(shí)，底板壓強(qiáng)時(shí)均值、不均勻系數(shù)、脈動壓強(qiáng)方差均有增大。井徑進(jìn)一步增加至0.45m時(shí)，除沖擊區(qū)底板時(shí)均壓強(qiáng)有所增加外，其他區(qū)域底板時(shí)均壓強(qiáng)基本不變；消力井底板脈動壓強(qiáng)不均勻系數(shù)、方差值均呈下降趨勢。此外，消力井底板脈動壓強(qiáng)功率譜優(yōu)勢頻率主要集中0～0.1HZ低頻區(qū)間，遠(yuǎn)小于實(shí)際水工建筑物的固有振動頻率。

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