摻氣折流器對側(cè)空腔和底空腔長度的影響

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1、摻氣折流器對側(cè)空腔和底空腔長度的影響摘要：在突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施中，為保證摻氣效果，增加底空腔的長度，加設(shè)折流器是有效的工程措施。試驗證明，折流器坡度和高度對空腔長度均有影響，較高的折流器增加空腔長度明顯，且使底空腔與側(cè)空腔貫通，有利于底空腔充分摻氣?；厮菟魇沟卓涨蛔兌?，有效空腔長度是影響摻氣效果的重要因素。在空腔長度的計算中應(yīng)綜合考慮，頂板坡角，跌坎挑角和折流器體型的影響，得出的計算公式有實際應(yīng)用和理論意義。關(guān)鍵詞：摻氣折流器底空腔側(cè)空腔射流　　對于高水頭泄水建筑物來說，除了要解決高速水流引起的空腔破壞外，閘門止水的

2、安全和優(yōu)化問題也日漸突出。利用突擴(kuò)突跌摻氣設(shè)施一方面可以滿足摻氣減蝕的要求，另一方面適合于偏心鉸弧門采用同曲面液壓密封框止水，可保證閘門止水的安全可靠和優(yōu)良運行。但突擴(kuò)摻氣缺乏成熟的工程經(jīng)驗和理論依據(jù)，在國內(nèi)外已建工程中均有遭到空蝕破壞的事例，其原因尚未完全搞清楚。因此通過試驗來研究突擴(kuò)突跌摻氣水流的規(guī)律，在側(cè)墻加設(shè)折流器后對空腔特性、壓力分布、摻氣濃度所造成的影響等有現(xiàn)實意義。1試驗方案及設(shè)備　　試驗研究在三峽工程泄洪深孔突擴(kuò)突跌摻氣水工模型上進(jìn)行。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型比尺為1∶25，模型最大流量為350L

3、/s，出口斷面流速為4.5～7m/s，F(xiàn)r=2.47～3.59，Re=1.7×106～2.4×106，，側(cè)收縮坡度各取1∶4，1∶6，1∶8，折流器高度各取為H，1/2H,1/3H（H為孔口高度）。在側(cè)墻和底板上布置了時均壓力測孔、脈壓測孔、摻氣濃度感應(yīng)片。摻氣通氣孔風(fēng)速用熱球式風(fēng)速儀測量，摻氣濃度用中國水利水電科學(xué)院研制的848型摻氣濃度儀量測?！　樘接憘?cè)向折流器不同高度和體型對側(cè)墻和底板各摻氣水力要素的影響，試驗研究比較了6種方案，如表1示。2試驗結(jié)果及分析2.1流態(tài)由于側(cè)向突擴(kuò)，水流從有壓段出口流出后向四周擴(kuò)

4、散，由二維流動變?yōu)檩^復(fù)雜的三維流動。擴(kuò)散水流撞擊側(cè)墻后，向上擴(kuò)散的水流形成水翅，向下擴(kuò)散的水流形成水簾。水翅回落至正常水面后在其下游又會激起沖擊波，流態(tài)較復(fù)雜，水翅過高也會沖擊門鉸。向下擴(kuò)散的水簾增加底空腔的回溯水流，減小了底空腔長度。表1試驗方案　　側(cè)向突擴(kuò)水流對側(cè)墻的影響可大致分為4個區(qū)域，即空腔區(qū)、壓力驟變區(qū)、低壓區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，如圖2所示，圖中Lb為底空腔長度，Lr為有效底空腔長度，Ls為側(cè)空腔長度?！　≡囼炛卸x沿側(cè)墻的水股高出同一斷面射流中心線水面的垂直高度為水翅高度Hf，高出中心線水面部分的水平長度為水翅長

5、度Lf.空腔區(qū)是自水流脫離孔口側(cè)壁起至水股在下游與側(cè)墻相交處的水平距離。圖1側(cè)向折流器示意　　水翅最高點位置，隨庫水位的升高向下推移。水翅最大高度與水翅長度，隨庫水位升高而明顯加大，其與折流器的高度也有關(guān)，但與折流器坡度沒有明顯的相互關(guān)系?！　≈档米⒁獾氖牵?dāng)折流器高度較小時，側(cè)空腔長度變小，孔口出流與突擴(kuò)側(cè)墻的沖擊角變大，產(chǎn)生一股斜角向下的白色逆向水射流，直接沖擊弧形止水道。這種現(xiàn)象一般在折流器高度小于一半孔口高度時較多發(fā)生，白色逆向水射流的沖擊點高程與折流器高度有關(guān)。圖2突擴(kuò)摻氣設(shè)施流態(tài)示意　　當(dāng)折流器高度超過一

6、半孔口時，側(cè)空腔加長，孔口出流與側(cè)墻沖擊角變小，逆向水射流減弱，此時由于沖擊點向下游推移，逆向水射流對弧形止水道邊構(gòu)不成威脅。2.2側(cè)空腔長度側(cè)空腔長度是反映孔口出流自孔口側(cè)壁起至出流與下游側(cè)墻沖擊處的水平距離。由于孔口側(cè)壁在垂直方向上為圓弧形，出流的橫向擴(kuò)散沿水流方向逐漸加強(qiáng)，因此出流與側(cè)墻的沖擊交點與孔口的距離并不相等。未加折流器時，一般為頂部距離大，底部距離小，加折流器后，頂部距離小，底部距離大。取孔口中心高程處孔口側(cè)壁末端至出流與側(cè)墻的沖擊交點的水平距離為側(cè)空腔長度，各方案的試驗結(jié)果如圖3所示。　　由圖3可以

7、看出，加設(shè)折流器可以加長側(cè)空腔長度，其與折流器高度有關(guān)。高度超過孔高一半以上的折流器對加長側(cè)空腔長度有明顯效果，相反，高度低于孔高一半的折流器，與無折流器相比，由于對孔口底部水流橫向擴(kuò)散約束影響，反而縮短了側(cè)空腔長度。2.3底空腔長度2.3.1底空腔長度試驗結(jié)果空腔長度越長，摻氣越充分，減蝕效果越好，因此?？涨坏拈L短是衡量各種方案優(yōu)劣的重要指標(biāo)。圖3不同方案側(cè)空腔長度比較　　孔口出流脫離跌坎后，水舌底緣沿程紊動擴(kuò)散，摻氣量加大，水和空氣間形成一道過渡帶，沒有明顯的氣水界面，這給底空腔長度的量測造成困難，對水舌底緣的判

8、斷不同，測量結(jié)果差異較大。3結(jié)語　　為保持穩(wěn)定的側(cè)空腔與底空腔。折流器的高度和坡度對空腔長度均有影響，采用較高的折流器，能有效地增加底空腔和側(cè)空腔長度。不僅如此，試驗觀測也證明，加設(shè)折流器能使底空腔和側(cè)空腔連通，使側(cè)空腔成為底空腔有效的通氣通道，保證底空腔的充分摻氣?！　≈档米⒁獾氖?，當(dāng)折流器高度小于孔口高度一半時，孔口出流與突擴(kuò)側(cè)墻的沖擊夾角