窄缝挑坎射流轨迹及扩散特性试验研究.pdf

第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；重庆市技术创新与应用发展专项面上项目（）作者简介：孙慧颖（），女，硕士研究生，主要从事水力学研究。：（），窄缝挑坎射流轨迹及扩散特性试验研究孙慧颖，周家俞（重庆交通大学 河海学院，重庆 ；重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 ）摘要：窄缝挑流消能工由于投资少、工程量小，在高坝大流量泄洪建筑物中应用广泛。窄缝挑坎通过纵向扩散水舌的方式进行消能，以优化窄缝挑坎体型为目的，文章基于某水电枢纽物理模型试验，通过调整出口宽度大小的方式控制出口断面高宽比，系统分析出口断面高宽比、流量等对挑射轨迹的影响。研究结果表明，出口断面高宽比是影响水舌挑距的重要因素，射流扩散程度随出口断面高宽比的增加而增大，高宽比增大到一定程度后可清晰地观测到水翅与水帘现象。基于试验测量数据，对学者提出的水舌预测轨迹经验公式进行修正，修正后的公式在一定程度上提高了预测精度，研究成果可供类似工程参考。关键词：窄缝消能工；出口高宽比；水舌形态；挑距中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）窄缝挑坎消能工通过急剧收缩出坎射流，使水舌实现了纵向和竖向的扩散，增强了水舌在空中的掺气和摩擦；入水后的水舌紊动扩散作用增加了单位水体的消能效率。我国的龙羊峡水电站、天生桥一级水电站及水布垭水电站等均采用了该消能方式 。多位学者利用理论和试验等方式对挑流消能的射流轨迹进行了预测，并推导出有关挑距计算的理论公式。周茂林 采用抛掷体公式对水舌轨迹进行预测；张晓萍 基于传统水力学公式结合自由抛体理论并考虑空气阻力后得出挑距计算公式；傅长峰 以出射断面中心为原点建立了二维坐标系，按照斜抛自由水体考虑得出轨迹方程；姜志勇 基于 溢洪道设计规范 规定的挑流水舌外缘挑距公式进行了气压修正，同时考虑空气阻力的影响，得出了基于气压与空气阻力共同影响下的挑距计算公式；张彦法等 考虑出射角、特征水深和综合影响系数等推测出水舌内外缘挑距计算公式。然而目前的研究缺少将断面出口高宽比作为考虑参数，本文就窄缝挑坎出口断面高宽比对水舌轨迹的影响进行讨论。本文考虑窄缝挑坎出口断面高宽比及出口流速等对挑射轨迹的影响，基于物理模型试验，对现有挑距公式进行优化修正。修正公式考虑高速水流的挑坎出口断面宽度（高宽比）对水舌形态的影响，为便于确定同体型挑坎射流落点位置，避开下游的不利地质条件，同时为后续的雾化研究作基础 。试验布置及方案 模型布置本文基于某水电站窄缝消能工局部模型，该水电站采用混凝土重力坝坝型，窄缝挑坎消能方式。试验模型为正态模型，按重力相似准则设计，模型比尺为 ：。整个试验模型主要由有机玻璃制成，包括水箱、窄缝泄槽单体模型和下游水池等。挑坎部分由进口段、压力段和出口明流段组成。模型示意图如图 和图 年 月孙慧颖，等窄缝挑坎射流轨迹及扩散特性试验研究所示：有压段高 ，出口段高 ，出口明流段采用半径为 的反射弧过渡，出口挑角为 ，窄缝收缩段进口宽度 为 ，出口段宽度用 表示，将出口段高度 与出口段宽度 的比值定义为高宽比 ，即 ，根据不同工况等调整出口宽度 的大小控制高宽比。表 试验方案布设 流量（）出口高度 出口宽度 高宽比 、图 窄缝消能工模型布置示意图 图 挑坎俯视图 试验方案研究来流流量和高宽比 变化对射流挑距的影响。试验方案如表 所示，试验通过调整出口断面的宽度 控制高宽比 。为了使得数据更加直观，本文通过比尺换算后分别选取原型实际下泄流量 、（设计洪水流量）、（校核洪水流量）作为试验流量，同时选取 种高宽比，共计 个工况。试验通过摄像法，利用相机拍摄挑流形态，在拍摄结果中选取效果最佳、最能体现该工况下水舌形态的水舌照片作后续分析。最后通过图形后处理确定水舌落水点、水舌内外缘挑距以及其对应的挑射角。表 出射角角度测算表 （）高宽比 流量（）试验结果与讨论 水舌形态水舌出射角如表 所示，由表 可知，出射角随着高宽比的增加而增大。就窄缝挑坎而言，在来流流量 恒为 、高宽比 自 增大至 的过程中，出射角自 迅速增至 ，出射角增幅明显，变化范围达 ；而在高宽比 为 、流量 自 增大至 的过程中，出射角增量不足 。在高宽比恒定的情况下，流量对出射角角度影响较小，出射角变化幅度均在 以内。由此可知，高宽比与出射角的关系更为敏感。水道港口第 卷第 期 图 不同高宽比下的水舌形态 窄缝出口断面在不同高宽比下的水舌形态如图 所示。从图 可以看出，高宽比 从 增加至 过程中，水舌沿纵向逐渐拉伸，由初始的抛物线状态发展为薄而长的“扫帚状”。高宽比 自 增加到 的过程中，水舌扩散程度增加缓慢，在高宽比增至 时出射水流出现水帘现象；高宽比 增至 后，水舌形态呈“扫帚状”，此时水舌纵向拉伸充分，同时水翅与水帘清晰可见；高宽比 达到 后，水舌拉伸更加充分，呈现出更完整的“扫帚”形状，水翅与水帘轮廓更加清晰。水舌轨迹及挑距陈忠儒等 通过试验，分析各项基本水力参数对挑距的影响，加入流速系数，考虑水舌在空中的自由扩散，选用鼻坎挑角，并提出窄缝增加的出射角 的新概念用来表述出射角。结合出射角和收缩比 代入质点抛射体运动公式得出水舌外缘挑距 （）（槡）（）其中 ()（）式中：为实测内挑距；为根据试验挑距值推算出的流速系数；取值范围为 ，试验取 ；为鼻坎挑角，其值为 ；为水舌外缘增加的出射角；为下游水位到挑坎出口外缘出射点的距离；为上游水位到顶坎水深中心的距离；为窄缝出口断面水深；是与之相应缩窄前的水深；为水深递增段的距离。试验发现，当高宽比 时，陈忠儒等 公式与实测值偏差较大，此时选用 水力计算手册 中的窄缝挑坎至下游水面的水舌外缘挑距 计算公式 （）（槡）（）式中：为水舌外缘出射流速；为重力加速度，取 ；同时有 （槡）（）式中：为上游水位至挑坎坎顶的高差；选用宁利中 公式中流量系数 进行计算 （槡）（）将实测值与公式计算结果对比发现相差较大，于是利用王瑞 的修正公式进行修正，修正后的外缘挑距用 进行表示（）（）式中：为高宽比，其值为窄缝挑坎出口断面宽度 与窄缝挑坎出口断面高度 的比值。高宽比 通过控制出口断面宽度 进行调整，将各个工况下的实测值及代入不同高宽比和流量下陈忠儒等 提出的挑距公式计算结果、水力计算手册 进行的修正的公式计算结果分别对比，绘制出图 。年 月孙慧颖，等窄缝挑坎射流轨迹及扩散特性试验研究 图 各公式下的水舌挑距图 由图 可知，在试验工况中，区间内，实测结果与陈忠儒等 提出的挑距公式计算结果在图像曲线上较为相似，可以通过在陈忠儒等 提出的挑距公式基础上进行修正，使计算结果更接近实测值；而在 的范围时，实测值与 水力计算手册 的公式计算结果更为相近，此时基于 水力计算手册 进行修正的公式计算结果与实测值更接近。综上所述，可以得到基于高宽比下水舌挑距的计算公式，即 （）（槡），（）（槡），（）（）将式（）代入不同工况，计算结果补充绘制于图 。可知，当高宽比满足 时，各公式所得的计算结果与实测值都较为接近；当高宽比 时，各公式的挑距计算结果均大于实测值，其中本文提出修正的公式所得结果与实测值最接近，对于预测窄缝挑坎的射流轨迹有一定参考价值。实测数据 计算数据图 水舌挑距与高宽比和流量的关系 水道港口第 卷第 期将式（）代入各工况得到水舌挑距的计算结果，并将其与实测结果进行整理，结果如图 。由图 可知，断面高宽比对挑距的影响较大，较比而言，流量变化对挑距影响可以忽略。在流量恒定时，高宽比 的增大图 水舌外缘挑距实测、计算值比较图 加剧了水舌的纵向扩散程度。随着高宽比的增加，水舌内缘挑距减小，同时外缘挑距增加，水舌侧面形态呈薄扇形；当高宽比 较小时，内外缘挑距相近，水舌侧面呈“一字形”，此时水舌的扩散以横向扩散为主。当流量不变，高宽比在 时，外缘挑距随高宽比 的增加迅速增大；当高宽比 及 时，外缘挑距随高宽比增加呈缓慢的线性增长。当高宽比 时，流量对外缘挑距的影响较小；当高宽比 后，流量变化对外缘挑距的影响明显。随高宽比的增加内外缘挑距均减小，当高宽比在 及 时内缘挑距下降明显，此时内缘挑距值受高宽比影响较大。将各工况实测值与计算值进行误差分析，绘制水舌外缘挑距实测、计算值对比图（图 ）。从图 可以看出，修正公式的计算结果精度较高，实测结果与计算结果较吻合，两者相差小于 。结论基于某水电站水工模型试验，研究了不同出口断面高宽比工况下窄缝消能工的挑流轨迹，主要结论如下：（）窄缝挑坎射流出射角受高宽比的影响较为显著。主要表现为出射角度随出口断面高宽比的增大而迅速增加，当高宽比 后增加幅度尤为明显，较大出射角伴随着更为明显的水翅现象。（）讨论了来流流量和出口断面高宽比两个重要水力特性对射流轨迹的影响。较来流流量而言，出口断面高宽比对水舌挑距影响更为显著。当高宽比 时，水舌未得到充分的纵向扩散；在高宽比 时，水舌逐渐纵向拉伸，同时形态逐渐呈“扫帚状”；当高宽比 达到 时，水舌扩散充分，水翅和水帘现象更明显。（）基于前人水舌挑距计算公式，利用物理模型试验，参考实测结果，对射流挑距计算公式进行修正，使得修正后的挑距估算公式计算结果与实测值更加吻合。考虑试验测量误差后，修正后的公式计算结果与实测值相差在 以内。参考文献：倪汉根，刘韩生 窄缝式消能工收缩段的体型设计 水利学报，（）：，（）：谢省宗，吴一红，陈文学 我国高坝泄洪消能新技术的研究和创新 水力学报，（）：，（）：聂艳华，况曼曼，王才欢，等 窄缝挑坎消能工几个水力参数试验研究 水电与新能源，（）：，（）：李桂芬，高季章，刘清朝 窄缝挑坎强化消能的研究和应用 水利学报，（）：，（）：王治祥 窄缝式挑坎强化消能与体型问题研究 红水河，（）：，（）：王鑫，李君涛，杨燕华，等基于泊稳条件阈值的输水系统内消能工优化研究 水道港口，（）：，（）：年 月孙慧颖，等窄缝挑坎射流轨迹及扩散特性试验研究 孟祥玮，刘红华，周华兴 那吉航运枢纽溢流坝断面及坝下冲刷试验 水道港口，（）：，（）：周茂林 底板透空型楔形体挑坎水力特性及工程应用研究 成都：四川大学，张晓萍，张建民 适用于窄深河谷的复合型挑流鼻坎水舌特性研究 水利技术监督，（）：傅长锋，韩李明，尹健婷，等 挑流消能水工模型试验及挑距、冲刷坑深度估算方法 水电能源科学，（）：，（）：姜勇志，张陆陈，骆少泽，等 环境气压降低对挑射流水舌挑距影响的试验研究 水电能源科学，（）：，（）：中国水利水电科学研究院 溢洪道设计规范：（条文说明）北京：中国水利水电科学研究院，张彦法，吴文平窄缝挑坎水面线及水舌挑距的试验研究 水利学报，（）：，（）：杜兰，许学问，黄国兵 窄缝挑坎水翅危害强度研究 长江科学院院报，（）：，（）：张柏英，李一兵 枢纽下游河床极限冲刷及水位降落研究进展 水道港口，（）：，（）：陈忠儒，陈义东，黄国兵窄缝式挑坎体型研究及其挑流水舌距离的估算 长江科学院院报，（）：，（）：宁利中 窄缝挑坎上最大压力的计算 西安理工大学学报，（）：，（）：王瑞玛尔挡水电站曲面贴角窄缝挑坎研究 咸阳：西北农林科技大学，武汉大学水利水电学院水力学流体力学教研室 水力计算手册：版 北京：中国水利水电出版社，（，；，）：（）（）（），（），：；