水电站越坝气流及雾流降雨试验研究（杨纪伟,李书芳,刘士和）

时间：2021-01-14 08:08:29　来源：柠檬阅读网本文已影响人

摘要：以二滩水电站为背景对越坝气流与雾流降雨进行了试验研究，分析了来流条件和泄流方式对越坝气流回流区长度的影响。试验所得雾流降雨范围与原型观测成果近似一致，初步表明通过采用人工水雾形成雾源，在风洞中进行雾流降雨范围的模拟是可行的。

关键词：水电站；
雾流；
扩散

中图分类号：TV74 文献标识码：A

水利工程建设中，要修建高水头电站并保证其安全运行，必须解决的问题之一就是泄洪消能问题及伴随着的泄洪雾化问题[1-6]。由泄洪所形成的雾化水流对电站厂房、电器设备、交通公路及水利工程附近居民生活的影响很大，而影响雾流扩散的主要因素就是越坝气流场(包括水舌风)。文献[3]曾对越坝气流的运动进行了模型试验，但在试验中未考虑泄流方式和下游地形的影响。此外，迄今为止人们也尚未在风洞中开展过雾流降雨的试验研究。为加深对水电站越坝气流及雾化水流物理模拟的认识，我们以二滩水电站为背景，进行了本项试验。

1试验设备与试验方法

试验在环境风洞中进行，风洞为直流吹出式，全长24．6m，试验段截面0．8×1．1m2，长14m。风机由13kw的直流电机带动，并由可控硅整流器控制转速。为消除矩形试验断面上二次流对主流品质的影响，对试验断面底部进行了削角处理，底部削角为45°×100mm。风洞收缩比为2．6，湍流度为1％—3％。在试验过程中，对大气边界层的模拟采用了如下方法：①采用1／4椭圆旋涡发生器的方法生成人工大气边界层，该方法利用在试验段进口设置的城垛式挡板、1／4椭圆片和粗糙元来生成人工大气边界层；
②利用可调顶板来消除静压梯度的影响，由于试验段较长，气流在沿程发展中会产生静压梯度，这在实际大气中是不存在的，因而利用可调顶板，用改变试验断面尺寸的方法来消除静压梯度的影响。

本试验根据中国水利水电科学研究院1999年对二滩水电站进行的原型观测数据[7]，模拟的是表孔或中孔全开条件下雾化水流在上游风场作用下的紊动扩散隋况。模型长度比尺λL．为1：1300，坝身材料用有机玻璃制作，周围地形用泡沫板制作，模型上、下游水位边界与挑流水舌上部边缘线均用塑料板来模拟。通过安装于水舌入水点的微射流喷头生成雾流，用于模拟原型水舌入水点附近的雾化水流状态，其模拟准则由动量比相似来控制。

在模型试验中，对越坝气流的风速场及雾流降雨强度进行了测量。气流运动速度用热球风速仪测量，在坝上、下游共布置了6个测量断面，其位置如下：以坝址所在处为坐标原点，垂向坐标为Y，以指向下游的方向为纵向坐标x的正向，对表孔，分别选取X=一0．2、0．1、0．3、0．5、0．7和1．4m布置测量断面；
对中孔，分别选取x=-0．2、0．15、0．3、0．5、0．7和1．4m布置测量断面，坝高H=15cm。

雾流降雨强度用自制的量筒测量，在坝下游共布置了21个测点。

2试验工况

试验前，首先对试验段无模型时风速沿程及沿垂向的变化进行了测量。结果表明，试验段大气边界层发展充分，满足试验需要。将模型放入风洞中，分别对三种大气来流条件下表孔全开或中孔全开时试验段的风速与降雨量进行测量，三种大气来流风速分别为2．15m／s、2．85m／s和3．75m／s。

3试验成果

3．1越坝气流流速分布及流态分析

比较中、表孔时不同大气来流条件下的风速分布可知：各种工况下越坝气流流态基本一致。气流越过大坝后，因过流断面突然扩大和气流的强大惯性作用，形成膨胀性分离流。气流分离之后，主流经一定距离的调整又回到地面上，从分离点到再附着点的分离线与地面之间形成一个分离区，分离区在垂向又分为回流区和主流区，从再附着点至气流基本恢复到无分离干扰影响的正常状态处称为恢复区；
在恢复区以后的边界层发展区域称为再发展区。图1给出了气流越过大坝后的绕流分区示意图。

对试验数据进行处理，试验得到各工况下各断面的风速分布，限于篇幅，图2只给出其中四种工况试验结果。由于回流区内出现反向流动，紊动强度较大，而试验所用热球测速仪只能感知单向风速，不能同时测出反向流风速，故图2中数据只能反映时均速度大小，不能反映速度方向。由图2可知，在y／H<1．0时，在坝后出现一速度较小区域，自x＝0．1到x＝1．4该区逐渐减小，至x＝1．4m时该区已经消失，由前面分析可知该区为回流区。回流区上部主流区流速逐渐增大，风速分布与常规大气边界层流速分布基本一致。前人的研究表明，恢复区在坝后约40倍坝高距离处，由图2也可以看出，试验所测范围x＝1．4m尚处于恢复区内，这也是在X=1．4m处断面流速分布与x＝一2m处断面流速分布并没有完全相似的原因，也说明x＝1．4m处气流尚未完全恢复到原大气来流状态。

设回流区的纵向最大长度lmax与最大垂向高度hmax是反映越坝气流对雾流扩散影响的特征尺度。为对回流区的特征进行分析，以l与h分别表示回流区边界的纵坐标与横坐标。通过试验，得到不同试验工况下lmax的值如表1所示。图3则进一步给出了l／lmax～h／hmax的变化，并同时与李奇伟[3]、Muellen[8]的试验成果进行比较。

由表1可知，对表孔，试验所得回流区纵向最大长度在6．53～7．6倍坝高度之间；
对中孔，试验所得回流区纵向长度在5．87～6．8倍坝高度之间。由此可见，泄流方式对回流区的长度有影响，具体表现在表孔泄流条件下回流区长度要大于中孔泄流条件下的相应长度，但两者均与前人研究所得回流区长度约为7倍障碍物高度的结论基本一致。

由图3可知，尽管本次试验所得的回流区的特征尺度与文献[3][8]有差异，但以lmax与hmax为特征尺度进行无量纲化后的回流区范围与前人试验结果还是基本吻合的。

3．2雾流降雨

在水舌入水处利用人工生成的水雾来模拟雾化水流的雾源，图4给出了中孔全开条件下降雨强度为毛毛雨以上区域的雾流降雨模型试验成果，图中还给出了中国水利水电科学研究院相应的原型观测成果用于比较。由图4可知，原型观测与模型试验所得雾流降雨纵向长度均约为970m，横向宽度均约为790m，且降雨区域也近似一致。初步表明，在风洞中进行雾流降雨范围的模拟是可行的。

4结论

1)对表孔，试验所得回流区纵向长度在6．53—7．6倍坝高度之间；
对中孔，试验所得回流区纵向长度在5．87—6．8倍坝高度之间。两者均与前人研究所得回流区长度约为7倍障碍物高度的结论基本一致。

2)采用人工水雾形成雾源，在风洞中对雾流降雨进行模拟，试验所得雾流降雨范围与原型观测成果近似一致，初步表明，在风洞中进行雾流降雨范围的模拟是可行的。

参考文献：

[1]刘士和．高速水流[M]．北京：科学出版社，2005．

[2]梁在潮．雾化水流理论[A]．中国水利水电工程技术进展[C]．北京：海洋出版社，1999．

[3]李奇伟．库区雾化运动规律研究[D]．武汉：武汉水利电力学院，1985．

[4]LIU SHI-HE，QU BO．Investigation on the splash Ie of the aeratedjet[J]．Journal ofHydrodynamics，2003，15(6)：78—81．

[5]LIU SHI-HE，LIANGZA／-CHAO，删MIN-LIANG．Simulation of the atomized flow in hydroelectric engineering[J J．XXIX IAHR Congress Pr0ceedir ，Theme D，2001，2：734—739．

[6]孙双科，刘之平．泄洪雾化降雨的纵向边界估算[J]．水利学报，2003．12(8)：53—58．

[7]刘之平，吴一红，张东，等．二滩水电站高双曲拱坝水力学及流激振动原型观测研究总报告[R]．中国水利水电科学研究院，2O00．

[8]MUEJJFN T J．A study of the motion and turbulent downstream of a r0lu mess element[J]．Developmentinthe、 oretical and applied Mechanics，1963，1(1)：27—30．

作者简介：杨纪伟(1960-)，男，河北永年人，教授，从事水力学和流体力学的教学和科研。

来源：《河北工程大学学报(自然科学版)》2007.6

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