高學平，朱洪濤，劉殷竹，孫博聞，陳 昊

（1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300022）

1 研究背景

進出水口是抽水蓄能電站水道系統(tǒng)的重要組成部分，主要分為側式進出水口與井式進出水口［1］。側式進出水口因內部分流隔墩等導致流動復雜，其內部水流雙向流動規(guī)律尚不清晰。為探明側式進出水口內部雙向流動規(guī)律，提高抽水蓄能電站的運行效率，本文以側式進出水口為對象展開試驗研究。

目前對于側式進出水口的研究成果大多圍繞具體的實際工程展開，重點集中于水力特性優(yōu)化［2-4］、庫區(qū)流態(tài)優(yōu)化［5-6］、進出水口體型優(yōu)化算法［7-8］等方面。蔡付林等［2］研究了擴散段內7種分流墩布置方式對進出水口水力特性的影響程度，指出三隔墩四孔進出水口的中間分流墩宜短于兩側分流墩；任曉倩等［3］對進出水口擴散段導流墩的位置及中、邊孔的擴散角進行了優(yōu)化調整，解決的流量分配不均的問題；徐準等［4］系統(tǒng)分析了擴散段內隔墩位置的改變對進出水口水力特性的影響；高學平等［5］研究了進出水口明渠兩側地形不對稱時明渠及進出水口的水流流態(tài)，并提出了相應的優(yōu)化方法；高學平等［6］以濰坊抽水蓄能電站下水庫側式進出水口為例，探尋改善進出水口及圍堰附近水流流態(tài)的有效措施；高學平等［7-8］結合多島遺傳算法、響應面法等遺傳算法建立優(yōu)化體型參數(shù)與水力指標的函數(shù)關系，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出水口水力學問題展開，缺少對進出水口內部雙向流動規(guī)律全面詳細的研究。

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

粒子圖像測速技術（PIV）能對內部流速場進行量測，具有非接觸、高精度、區(qū)域測量等優(yōu)勢。其基本工作原理，是通過在流體中投入一定濃度的示蹤粒子，用激光照亮測量區(qū)域，同時用CCD 相機進行拍攝，最后對圖像進行處理分析。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中的浮式取水口附近流場，從流速場角度對下泄水溫形成機理進行分析；楊帆等［14］利用PIV研究了軸流泵內部水流流場；陳凱霖等［15-16］利用PIV研究了明渠水流交匯區(qū)流場及污染物濃度分布規(guī)律；柳夢陽等［17］基于粒子圖像測速技術研究淹沒植被斑的時均尾流結構。因此PIV 技術可實現(xiàn)側式進出水口內部流速場的量測。

目前對進出水口水力特性的研究均以流速時均值描述其流動規(guī)律，認為脈動流速較小，符合脈動值繞時均值上下波動的一般規(guī)律，缺少對典型斷面脈動流速的深入研究，同時也缺少對進出水口內部流動的試驗研究。本文以典型側式進出水口為對象進行試驗研究，利用粒子圖像測速技術（PIV）和聲學多普勒測速技術（ADV），獲得進出水口內部流速場、沿程斷面流速和攔污柵斷面流速分布，全面揭示進出水口內部雙向流動規(guī)律。

2 研究對象

圖1為某工程的典型側式進出水口體型圖。沿進流方向，側式進出水口由防渦梁段、調整段、擴散段、漸變段等組成，其前接明渠段與庫區(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，側式進出水口各組成段起到不同的作用。防渦梁段是防止進流工況進出水口前形成旋渦；擴散段和調整段是調整出流工況隧洞來流，使隧洞來流到達攔污柵斷面時流速分布趨于均勻。該典型進出水口采用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10.5 m，調整段長14.5 m，擴散段長度36 m，水平擴散角34.3°，垂向擴散角2.35°，輸水隧洞直徑7.2 m。出流工況（從進出水口流出進入水庫），流量158.0 m3/s，輸水隧洞平均流速3.88 m/s；進流工況（從水庫流入進出水口），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深度13.15 m，正常蓄水位條件下孔口中心淹沒深度30.15 m。

圖1 典型側式進出水口體型

3 試驗方法

3.1 試驗裝置以上述實際工程進出水口為基礎，按幾何縮尺60建立了典型進出水口試驗裝置，如圖2 所示。該試驗裝置在天津大學水力學實驗室內，總長約12 m，由供水管路系統(tǒng)、側式進出水口模型、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)包括電磁流量計和閥門等。出流工況，水流自高平水塔沿出流管經(jīng)過閥門、流量計、隧洞流入進出水口，再向明渠段及庫區(qū)內擴散，經(jīng)過穩(wěn)水裝置后匯入集水箱；進流工況，水流自高平水塔沿進流管經(jīng)過穩(wěn)水裝置穩(wěn)流后，進入庫區(qū)、明渠段，流入進出水口及隧洞。

圖2 試驗裝置

3.2 量測系統(tǒng)及試驗方法量測系統(tǒng)如圖3 所示，包括粒子圖像測速儀（PIV）、聲學多普勒流速儀（ADV）、水位測針。PIV 主要由Nano TRL 425-10 雙脈沖激光器（激光波長為532 nm）、Imager SX 4M CCD相機、導光臂等組成。

圖3 量測系統(tǒng)布置

試驗利用PIV 量測進出水口內部縱剖面流場，采用分區(qū)域拍照的方法，單次測量的覆蓋范圍為40 cm×30 cm（橫向×垂向），PIV 的激光源布置于進出水口下方，激光經(jīng)過透鏡轉換成約1 mm 的片光源，從底部照亮測量部位，CCD 相機垂直于片光源布置；試驗時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，曝光時間間隔為1000 μs，相機采樣頻率為10 Hz，圖像后處理采用DAVIS8.0軟件，圖像處理采用互相關算法，查詢區(qū)域為32×32像素。利用ADV量測孔口攔污柵斷面流速分布，沿水深方向共均勻布置了15個測點，采樣頻率100 Hz?？紤]到流道狹窄，探頭相對較大，接觸式測量點流速可能影響精度，分析如下，由于ADV 的測點位于探頭正下方約5 cm 處，因此在測量該斷面靠近上部的7 個測點時，ADV 探頭無需進入通道內，其對結果無影響；對于下部8 個測點，ADV 探頭需進入到流道，本文流道寬度105 mm、高度145 mm，而ADV 儀器測量桿直徑為6.5 mm、測量爪直徑約2.5 mm，而且測點在探頭下方5 cm 處不與探頭接觸，因此其對測量結果的影響可以忽略。

4 試驗結果

下面按出流工況和進流工況，給出死水位條件下進出水口內部和攔污柵斷面流速的量測結果，給出不同淹沒度下攔污柵斷面的流速分布及紊動強度。流速按無量綱量給出，即流速值u與孔口平均流速vout（出流工況）或vin（進流工況）的比值；距底板距離按無量綱給出，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出水口，經(jīng)過擴散段分流后從進出水口的4 個孔口流出，水流流動沿程呈現(xiàn)出擴散態(tài)，流速沿程降低。

4.1.1 進出水口內部流動規(guī)律

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

圖4 PIV量測的進出水口內部中心剖面流速云圖

圖5 進出水口中孔局部矢量圖

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

圖6 進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，特別關注進出水口攔污柵斷面流速分布。以往研究，均是以時均流速來分析攔污柵斷面流速，一般要求過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破壞的幾率，保證攔污柵的安全［18］。為此，試驗利用聲學多普勒測速技術（ADV）專門量測了攔污柵斷面的流速分布，記錄了各測點的流速歷時。

（1）時均流速分析。圖7 為出流工況不同淹沒度下攔污柵斷面時均流速分布，其中縱坐標為距底板距離y與孔口高度H的比值，橫坐標為流速值與孔口平均流速比值。從圖中可以看出，淹沒度的變化對時均流速分布基本無影響；中孔流速分布主流靠近孔口中部，無反向流速，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 不同淹沒度下攔污柵斷面時均流速分布

圖8 同時對比了死水位工況下PIV 與ADV 的實測結果，中孔及邊孔PIV 與ADV 的量測結果基本相同。

圖8 攔污柵斷面時均流速分布

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

圖9 攔污柵斷面測點流速歷時過程圖

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

圖10 攔污柵斷面測點紊動強度

對于攔污柵斷面，以往主要研究該斷面的時均流速分布，關心時均流速的大小和是否有反向流速，沒有關注脈動流速，認為脈動流速值較小且不會對攔污柵安全構成威脅。上述研究結果表明，出流工況，攔污柵斷面各點脈動流速大，紊動強度大，將對攔污柵安全構成威脅，必須引起高度重視。

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

4.2.1 進出水口內部流動規(guī)律

（1）進出水口內部流速場。圖11為由PIV 量測的進出水口中、邊孔內部中心剖面流速云圖。進流工況，水流從孔口前緣及防渦梁間隙流入進出水口，在中孔及邊孔部分調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。從水流匯入進出水口的過程來看，來流方向存在前方來流及防渦間隙來流，從防渦梁間隙處進入進出水口的水流需經(jīng)過90°轉折，故易在調整段頂板處形成低流速區(qū)。

圖11 PIV量測的進出水口內部中心剖面流速云圖

圖12 進出水口中、邊孔調整段局部矢量圖

（2）進出水口內部沿程斷面流速分布。為分析進出水口內部沿程斷面流速變化，選取中孔和邊孔各7 條測線進行分析。圖13 為進出水口內部沿程斷面流速分布。從圖中可以看出，進流工況，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調整段時，中、邊孔測線頂部流速較低，底部流速較大。隨著水流在擴散段內不斷收縮，中、邊孔的流速分布逐漸趨于均勻。

圖13 典型斷面時均流速分布

4.2.2 攔污柵斷面流速

（1）時均流速分析。圖14為進流工況不同淹沒度下攔污柵斷面時均流速分布，其中縱坐標為距底板距離y與孔口高度H的比值，橫坐標為流速值與孔口平均流速比值。從圖中可以看出，淹沒度的變化對時均流速分布基本無影響；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 不同淹沒度下攔污柵斷面時均流速分布

圖15同時對比了死水位工況下PIV 與ADV 的實測結果，中孔及邊孔PIV 與ADV 的量測結果基本相同。

圖15 攔污柵斷面時均流速分布

（2）脈動流速分析。利用ADV專門記錄了斷面各測點流速歷時，并進行了統(tǒng)計分析。選取攔污柵斷面8個典型測點，其中測點1—4位于中孔攔污柵斷面，測點5—8位于邊孔攔污柵斷面。圖16為死水位條件下，典型測點的流速歷時過程。可以看出中孔、邊孔流速脈動值較小，與脈動值較小且圍繞時均值上下波動的基本規(guī)律相符。例如，中孔測點3，最大脈動流速為0.48vin，時均流速為1.04vin，最大脈動流速與時均流速的比值為0.46（0.48vin/1.04vin），即最大脈動流速是時均流速的0.46倍，這里vin為孔口平均流速。

圖16 攔污柵斷面測點流速歷時過程

圖17 對比了不同淹沒度下攔污柵斷面各測點紊動強度的變化。從圖中可看出，淹沒度的變化對紊動強度基本無影響；中孔、邊孔脈動幅度均較小，邊孔紊動強度略大于中孔，中孔、邊孔各測點脈動流速值均小于時均值。其中死水位條件下，中孔測點平均紊動強度0.10，邊孔測點平均紊動強度為0.11。因此，中、邊孔測點紊動強度略高于一般明渠水流0.5倍水深位置處的紊動強度。

圖17 攔污柵斷面測點紊動強度

4.3 討論試驗結果表明，出流工況水流條件較進流工況更為復雜。進流工況，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強度較小，符合脈動值較小且繞時均值上下波動的一般規(guī)律。出流工況，水流呈現(xiàn)擴散態(tài)，水流流速逐漸減小，攔污柵斷面水流紊動強度高，脈動流速很大，有別于對脈動流速的一般認知規(guī)律。對于出流工況，即水流自輸水隧洞進入進出水口，依次經(jīng)過擴散段、調整段、防渦梁段，進出水口體型在平面和豎向上均有擴散，屬三維擴散結構。水流沿程逐漸擴散，同時水平擴散和垂向擴散，具有明顯的三維流動特征。水流沿程擴散的同時脈動流速增大，進出水口攔污柵斷面屬擴散水流的末端，其斷面的脈動流速仍然很大。以上只是定性的分析，應進一步專門分析攔污柵斷面脈動流速大的原因。

5 結論

本文建立了典型側式進出水口試驗裝置，利用粒子圖像測速技術（PIV）和聲學多普勒測速技術（ADV），對側式進出水口內部雙向流動進行了試驗研究，得到以下結論：

（1）利用PIV 技術量測了進出水口內部流速場揭示了進出水口內部流動規(guī)律。出流工況，中孔擴散段內主流明顯且位于孔口中部，擴散段及調整段頂部存在低流速區(qū)，邊孔擴散段內主流不明顯；進流工況，中孔及邊孔調整段頂部存在低流速區(qū)，水流匯入擴散段后流速分布趨于均勻。

（2）利用ADV 流速儀量測了攔污柵斷面流速歷時過程，揭示了該斷面流速脈動規(guī)律。出流工況，其脈動流速很大，有別于對脈動流速的一般認知規(guī)律；進流工況，脈動流速較小，符合脈動值圍繞時均值上下波動的一般規(guī)律。

（3）對于出流工況，攔污柵斷面各點流速脈動值較大，流速脈動值可達時均值的1.8 倍，紊動強度大，脈動值較大且頻繁變化，將對攔污柵的安全構成威脅，必須引起高度重視。