闸前漩涡水力特性及形成条件的试验研究
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3
图 1 安装好的水工模型图
在闸门前, 行进水流受边界条件制约 , 发生纵向 和横向的突然收缩 , 水流能量随之发生较大的变化。 水流行进至闸孔处 , 由于断面进一步收缩 , 底层流速 增大 , 动能增加 , 而表层水流受到弧形闸门阻滞, 流 速减小 , 动能转化为势能, 从而在弧形闸门前形成水 位壅高的滞水区, 其大小、 形状与周围建筑物边界、 进水口形式等密切相关 。滞水区水体因闸门局部 开启大小和库水位高低变化的影响而大致呈现出以 下两种不同的水流流态 ( 由示踪墨能清楚地发现 ) : ( 1) 滞水区水面波动微弱。当闸门开度 e 较小 ( 以 e = 2 m 为 例 ) , 库水 位 H 相对 较 大 ( 以 H = 741. 68 m 为例 ) 时, 库内水面线水平 , 流速不大。即 使在进入闸室后, 虽受到堰和两侧闸墩的纵向、 横向 收缩作用 , 流速大大增加了 ( 流速分布不均匀 : 下层 水流流速明显大于上层水流流速 ) , 但是水面线却没 有明显变化, 闸室内水流表面波动微弱。在刚进入 闸室时的左边、 右边闸墩墩首各有持续的环流发生, 环流方向固定 , 分别为逆时针和顺时针。闸室内滞 水区水面形成了大面积回流区, 大致的旋转方向分 别为闸室左边逆时针、 右边顺时针, 偶尔还会出现转 向相反的回流 , 回流强度相对较弱。闸墩首的环流 随水流逐渐游移到闸孔上方 , 并持续加强形成表面 凹陷漩涡, 如图 2 所示。其大小和方向均不固定 , 涡 深很浅( 从侧壁观察 , 如图 3 所示 ) , 基本不吸气, 为 1 和 2 型漩涡 , 无危害。
[ 7]
57
方案 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 1 2 1 2 1 2
闸门开度 e/m
堰上水头 H/m 13. 61 11. 68 10. 31
e/H 0. 15 0. 17 0. 19 0. 22 0. 25 0. 33 0. 50 0. 29 0. 34 0. 44 0. 50 0. 59 0. 37 0. 43 0. 44 0. 49 0. 51 0. 54
气漏斗漩涡 ( 有的文献称之为 有害涡
) , 势必会
造成恶化进水口流态、 减少进水口流量、 发出巨大声 响、 引发闸门震动和威胁水工建筑物安全等严重危 [ 2- 6] 害 。为了减少或避免有害涡的危害 , 有必要对 闸门前漩涡的生成原因、 发展规律及其特性进行研 究, 并积极从理论上寻求消除吸气漏斗漩涡的形成 条件。
闸孔流 速 / ( m s- 1 ) 10. 82 9. 94 9. 26 8. 58 8. 02 6. 74 5. 22 10. 28 9. 28 8. 06 7. 61 7. 00 9. 71 8. 98 9. 57 8. 96 9. 77 9. 89
收稿日期 : 2012 -04 -10 修稿日期 : 2012 -05 -09 基金项目 : 国家自然科学基金 灾害性天气暴雨洪水过程演化与防洪分类调度方法研究 ( 51279021) ; 国家自 然科学基金 基于风险分析的 跨流域引水环境下水库汛期水位实时调度多目标决策研究 ( 51079015) 作者简介 : 裴少锋 ( 1985 ) , 男( 汉族 ) , 河南汤阴人 , 硕士研究生 汉族 ) , 黑龙江讷河人 , 博士 , 教授 , 博导 , 主要从事工程水力学教学与科研工作。
Abstract: Combined with practical engineerings, the development law and hydraulic characteristics of upstream vortex are studied by hydraulic model tests. The t est study results show that the intermittently inspiratory funnel vortex would on ly appear when the opening of the gate is larger. When the opening of the gate is not changed, the upstream vortex s in tensity would vary obviously with the depth of submergence. The maximum value of the vortex s intensity would appear while the depth of submergence tends to a certain limit. When being less or greater than this depth of submergence, the intensity of vortex would be weakened to some extent, even disappear. Finally, the formation conditions of the intermit tently inspiratory funnel vortex are studied in theory. The study achievements could provide references for the engineering design of upstream vortex s eliminat ing measures. Keywords: hydraulic model test; characteristic of upstream vortex; law of development; theoretical analysis; formation condition
1
工程概况
某水利枢纽工程水库正常蓄水位 739. 00 m, 总 库容 24. 19 108 m3 , 正常蓄水位下库容 20. 45 108 m3 , 死水位 680. 00 m, 死库容 1. 27
8 3
108 m3 , 拦洪库
容 2. 85 10 m 。水库校核洪水位 ( P = 0. 02% ) 、 设 计洪水位 ( 0. 1% ) 分别为 743. 61 m 和 741. 68 m 。该 工程下游有 635 水力枢纽工程 , 考虑下游工程的安 全, 要求本工程安全泄量 1 750 m 3 / s, 最大泄量不得 超过 3 077 m / s。 该枢纽工程为
56
水利与 建筑工程学报
[ 1]
第 10 卷
游移到闸孔上方 30 三角形区域
。若是 产生吸
[ 2]
的模型如图 1 所示。 根据闸门运行方式 , 进行了闸门开度对应各特 征水位的试验, 各工况下的闸前水力特性如表 1 所 示。试验中 , 水面线、 断面流速和流量的测量分别采 用水位测针、 南京水科院研制的便携式流速仪和电 磁式流量计。
第 10 卷第 5 期 2 01 2年 1 0月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering
Vol. 10 No. 5 Oct . , 2 01 2
闸前漩涡水力特性及形成条件的试验研究
裴少锋, 刘亚坤, 倪汉根
( 大连理工大学 建设工程学部 , 辽宁 大连 116024) 摘 要 : 结合实际工程 , 利用水工模型试验研究了闸前漩涡的发生规 律和水力 特性。试验研 究表明 , 在
Experimental Study on Hydraulic Characteristics and Formation Conditions of Upstream Vortex
PEI Shao - feng, LIU Ya - kun, NI Han - gen
( Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University o f Technology , Dalian, Liaoning 116024, China)
第5期
裴少锋 , 等 : 闸前漩涡水力特性及形成 条件的试验研究 表1 闸门局开对应特征水位下的闸前漩涡水力特性
相对淹没 深度 H / e 6. 67 5. 88 5. 16 4. 55 4. 00 3. 00 2. 00 3. 45 2. 94 2. 27 2. 00 1. 69 2. 70 2. 33 2. 27 2. 02 1. 94 1. 84 上游行进 流速 / ( m s- 1 ) 1. 67 1. 74 1. 84 2. 02 1. 97 2. 14 2. 91 3. 15 3. 22 3. 29 3. 91 4. 67 3. 49 3. 97 4. 52 4. 61 5. 88 5. 99
此类漩涡恶化闸孔水流流态吸入的气体通过闸门底缘后顺水流随机在堰表面和靠近闸墩处溃灭并发出响引起水流波动和建筑物振动危害很大如图库水位74361m时三视图74361时闸前漩涡俯视图当然也有水面线下降不大但水面剧烈波动的情况限于大开度大流量情况下同样在小开度小流量情况下也存在水面线下降明显而水面波动微弱的情况
[ 4]
等大 ( 1) 型工程 , 主坝、 副坝、 泄
水建筑物及发电洞进水塔为 1 级建筑物。主坝最大 坝高 121. 50 m, 副坝最大坝高 14. 00 m。枢纽建筑物 由碾压混凝土重力坝、 溢流表孔、 泄洪中孔、 放水底 孔、 发电引水系统、 电站厂房和副坝组成。溢流坝 段、 中孔坝段及底孔坝段布置在主河床左侧, 溢流坝 段共布置 4 个表孔 , 共 5 个坝段, 每个坝段宽 15 m, 每孔净宽 12 m, 边墩厚 3 m, 中墩厚 3 m, 基础底高程 624. 00 m 。溢流面下游每孔之间均设分区导流墙 , 共 3 道, 导流墙厚度由 3 m 渐变至 1. 5 m 。溢流表孔 堰型采用实用堰 , 堰顶高程 730. 0 m, 堰顶下游段堰 面曲线采用幂曲线, 方程为 Y= 0 . 0568 X 1. 85 。
以前 , 漩涡的大部分研究是在导流洞、 抽水蓄能 电站和水电站等泄水、 引水建筑物进水口前。它们 有共同的特点: 高水头 ; 洞室或 管道内一般是 有压 流; 正常运行时一般是满开度状态 ; 这些进水口前一 般只有一个漩涡, 且范围较大等。试验研究的内容 主要包括进水口前漩涡形成机理及其影响因素、 缩
闸门开度较大的工况下 , 才会出现严重的间歇吸气漏 斗漩涡。而在闸门开度一定的情况下 , 闸前漩 涡强 度随淹没 深度变化较为明显 : 当淹没深度趋近于某 一值时 , 此时 的漩涡强 度存在 极大值 , 小于 或者大 于 这个淹没深度 , 漩涡的强度都会有不同程度的减弱 , 甚至消失。从理论上探讨分析了间歇 吸气漏斗 漩涡 的形成条件。这些成果可为闸前漩涡消除措施的工程设计提供参考。 关键词 : 水工模型试验 ; 闸前漩涡特性 ; 发展规律 ; 理论分析 ; 形成条件 中图分类号 : TV66 文 献标识码 : A 文章编号 : 1672 1144( 2012) 05 0055 06
0
引
言
尺效应和消涡措施等。本文所要研究的是闸门前漩 涡。闸孔属于侧部进水口, 其水头较低; 一般是无压 流 ; 正常运行时 , 需要开启或关闭闸门, 而且根据运 行工况还要确定闸门运行方式( 开度大小、 水位高低 等 ) , 不同的运行方式会直接影响闸门前是否会产生 漩涡; 产生的漩涡是成对的 , 即一个局部开启的闸孔 前有两个漩涡; 由于闸室尺寸的限制 , 这种漩涡的范 围不大 , 一般在靠近检修闸门槽的位置形成, 随水流
2
闸前漩涡特性的试验研究
本文利用比尺 1 150 的正态模型 , 参考 1 30 的
模型试验 , 观察、 比较分析了该工程表孔溢洪道原方 案和优化方案中闸门前漩涡形成原因、 发展规律及 其消除措施。模型设计遵循重力相似准则。 在尽量保证减弱对实际进流条件和流量影响前 提下, 模型截取了溢流堰的一部分和其中一中孔闸 门, 试验在宽 0. 15 m, 长 3. 0 m 的水平水槽中进行。 因为是一中孔, 中孔净宽加上两边闸墩厚度, 模型总 宽度为 0. 12 m 。安装时, 水工模型中轴线与水槽中 轴线一致, 来流方向与闸孔轴线方向平行。安装好
图 1 安装好的水工模型图
在闸门前, 行进水流受边界条件制约 , 发生纵向 和横向的突然收缩 , 水流能量随之发生较大的变化。 水流行进至闸孔处 , 由于断面进一步收缩 , 底层流速 增大 , 动能增加 , 而表层水流受到弧形闸门阻滞, 流 速减小 , 动能转化为势能, 从而在弧形闸门前形成水 位壅高的滞水区, 其大小、 形状与周围建筑物边界、 进水口形式等密切相关 。滞水区水体因闸门局部 开启大小和库水位高低变化的影响而大致呈现出以 下两种不同的水流流态 ( 由示踪墨能清楚地发现 ) : ( 1) 滞水区水面波动微弱。当闸门开度 e 较小 ( 以 e = 2 m 为 例 ) , 库水 位 H 相对 较 大 ( 以 H = 741. 68 m 为例 ) 时, 库内水面线水平 , 流速不大。即 使在进入闸室后, 虽受到堰和两侧闸墩的纵向、 横向 收缩作用 , 流速大大增加了 ( 流速分布不均匀 : 下层 水流流速明显大于上层水流流速 ) , 但是水面线却没 有明显变化, 闸室内水流表面波动微弱。在刚进入 闸室时的左边、 右边闸墩墩首各有持续的环流发生, 环流方向固定 , 分别为逆时针和顺时针。闸室内滞 水区水面形成了大面积回流区, 大致的旋转方向分 别为闸室左边逆时针、 右边顺时针, 偶尔还会出现转 向相反的回流 , 回流强度相对较弱。闸墩首的环流 随水流逐渐游移到闸孔上方 , 并持续加强形成表面 凹陷漩涡, 如图 2 所示。其大小和方向均不固定 , 涡 深很浅( 从侧壁观察 , 如图 3 所示 ) , 基本不吸气, 为 1 和 2 型漩涡 , 无危害。
[ 7]
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方案 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 1 2 1 2 1 2
闸门开度 e/m
堰上水头 H/m 13. 61 11. 68 10. 31
e/H 0. 15 0. 17 0. 19 0. 22 0. 25 0. 33 0. 50 0. 29 0. 34 0. 44 0. 50 0. 59 0. 37 0. 43 0. 44 0. 49 0. 51 0. 54
气漏斗漩涡 ( 有的文献称之为 有害涡
) , 势必会
造成恶化进水口流态、 减少进水口流量、 发出巨大声 响、 引发闸门震动和威胁水工建筑物安全等严重危 [ 2- 6] 害 。为了减少或避免有害涡的危害 , 有必要对 闸门前漩涡的生成原因、 发展规律及其特性进行研 究, 并积极从理论上寻求消除吸气漏斗漩涡的形成 条件。
闸孔流 速 / ( m s- 1 ) 10. 82 9. 94 9. 26 8. 58 8. 02 6. 74 5. 22 10. 28 9. 28 8. 06 7. 61 7. 00 9. 71 8. 98 9. 57 8. 96 9. 77 9. 89
收稿日期 : 2012 -04 -10 修稿日期 : 2012 -05 -09 基金项目 : 国家自然科学基金 灾害性天气暴雨洪水过程演化与防洪分类调度方法研究 ( 51279021) ; 国家自 然科学基金 基于风险分析的 跨流域引水环境下水库汛期水位实时调度多目标决策研究 ( 51079015) 作者简介 : 裴少锋 ( 1985 ) , 男( 汉族 ) , 河南汤阴人 , 硕士研究生 汉族 ) , 黑龙江讷河人 , 博士 , 教授 , 博导 , 主要从事工程水力学教学与科研工作。
Abstract: Combined with practical engineerings, the development law and hydraulic characteristics of upstream vortex are studied by hydraulic model tests. The t est study results show that the intermittently inspiratory funnel vortex would on ly appear when the opening of the gate is larger. When the opening of the gate is not changed, the upstream vortex s in tensity would vary obviously with the depth of submergence. The maximum value of the vortex s intensity would appear while the depth of submergence tends to a certain limit. When being less or greater than this depth of submergence, the intensity of vortex would be weakened to some extent, even disappear. Finally, the formation conditions of the intermit tently inspiratory funnel vortex are studied in theory. The study achievements could provide references for the engineering design of upstream vortex s eliminat ing measures. Keywords: hydraulic model test; characteristic of upstream vortex; law of development; theoretical analysis; formation condition
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工程概况
某水利枢纽工程水库正常蓄水位 739. 00 m, 总 库容 24. 19 108 m3 , 正常蓄水位下库容 20. 45 108 m3 , 死水位 680. 00 m, 死库容 1. 27
8 3
108 m3 , 拦洪库
容 2. 85 10 m 。水库校核洪水位 ( P = 0. 02% ) 、 设 计洪水位 ( 0. 1% ) 分别为 743. 61 m 和 741. 68 m 。该 工程下游有 635 水力枢纽工程 , 考虑下游工程的安 全, 要求本工程安全泄量 1 750 m 3 / s, 最大泄量不得 超过 3 077 m / s。 该枢纽工程为
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水利与 建筑工程学报
[ 1]
第 10 卷
游移到闸孔上方 30 三角形区域
。若是 产生吸
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的模型如图 1 所示。 根据闸门运行方式 , 进行了闸门开度对应各特 征水位的试验, 各工况下的闸前水力特性如表 1 所 示。试验中 , 水面线、 断面流速和流量的测量分别采 用水位测针、 南京水科院研制的便携式流速仪和电 磁式流量计。
第 10 卷第 5 期 2 01 2年 1 0月
水利与建筑工程学报
Journal of Water Resources and Architectural Engineering
Vol. 10 No. 5 Oct . , 2 01 2
闸前漩涡水力特性及形成条件的试验研究
裴少锋, 刘亚坤, 倪汉根
( 大连理工大学 建设工程学部 , 辽宁 大连 116024) 摘 要 : 结合实际工程 , 利用水工模型试验研究了闸前漩涡的发生规 律和水力 特性。试验研 究表明 , 在
Experimental Study on Hydraulic Characteristics and Formation Conditions of Upstream Vortex
PEI Shao - feng, LIU Ya - kun, NI Han - gen
( Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University o f Technology , Dalian, Liaoning 116024, China)
第5期
裴少锋 , 等 : 闸前漩涡水力特性及形成 条件的试验研究 表1 闸门局开对应特征水位下的闸前漩涡水力特性
相对淹没 深度 H / e 6. 67 5. 88 5. 16 4. 55 4. 00 3. 00 2. 00 3. 45 2. 94 2. 27 2. 00 1. 69 2. 70 2. 33 2. 27 2. 02 1. 94 1. 84 上游行进 流速 / ( m s- 1 ) 1. 67 1. 74 1. 84 2. 02 1. 97 2. 14 2. 91 3. 15 3. 22 3. 29 3. 91 4. 67 3. 49 3. 97 4. 52 4. 61 5. 88 5. 99
此类漩涡恶化闸孔水流流态吸入的气体通过闸门底缘后顺水流随机在堰表面和靠近闸墩处溃灭并发出响引起水流波动和建筑物振动危害很大如图库水位74361m时三视图74361时闸前漩涡俯视图当然也有水面线下降不大但水面剧烈波动的情况限于大开度大流量情况下同样在小开度小流量情况下也存在水面线下降明显而水面波动微弱的情况
[ 4]
等大 ( 1) 型工程 , 主坝、 副坝、 泄
水建筑物及发电洞进水塔为 1 级建筑物。主坝最大 坝高 121. 50 m, 副坝最大坝高 14. 00 m。枢纽建筑物 由碾压混凝土重力坝、 溢流表孔、 泄洪中孔、 放水底 孔、 发电引水系统、 电站厂房和副坝组成。溢流坝 段、 中孔坝段及底孔坝段布置在主河床左侧, 溢流坝 段共布置 4 个表孔 , 共 5 个坝段, 每个坝段宽 15 m, 每孔净宽 12 m, 边墩厚 3 m, 中墩厚 3 m, 基础底高程 624. 00 m 。溢流面下游每孔之间均设分区导流墙 , 共 3 道, 导流墙厚度由 3 m 渐变至 1. 5 m 。溢流表孔 堰型采用实用堰 , 堰顶高程 730. 0 m, 堰顶下游段堰 面曲线采用幂曲线, 方程为 Y= 0 . 0568 X 1. 85 。
以前 , 漩涡的大部分研究是在导流洞、 抽水蓄能 电站和水电站等泄水、 引水建筑物进水口前。它们 有共同的特点: 高水头 ; 洞室或 管道内一般是 有压 流; 正常运行时一般是满开度状态 ; 这些进水口前一 般只有一个漩涡, 且范围较大等。试验研究的内容 主要包括进水口前漩涡形成机理及其影响因素、 缩
闸门开度较大的工况下 , 才会出现严重的间歇吸气漏 斗漩涡。而在闸门开度一定的情况下 , 闸前漩 涡强 度随淹没 深度变化较为明显 : 当淹没深度趋近于某 一值时 , 此时 的漩涡强 度存在 极大值 , 小于 或者大 于 这个淹没深度 , 漩涡的强度都会有不同程度的减弱 , 甚至消失。从理论上探讨分析了间歇 吸气漏斗 漩涡 的形成条件。这些成果可为闸前漩涡消除措施的工程设计提供参考。 关键词 : 水工模型试验 ; 闸前漩涡特性 ; 发展规律 ; 理论分析 ; 形成条件 中图分类号 : TV66 文 献标识码 : A 文章编号 : 1672 1144( 2012) 05 0055 06
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引
言
尺效应和消涡措施等。本文所要研究的是闸门前漩 涡。闸孔属于侧部进水口, 其水头较低; 一般是无压 流 ; 正常运行时 , 需要开启或关闭闸门, 而且根据运 行工况还要确定闸门运行方式( 开度大小、 水位高低 等 ) , 不同的运行方式会直接影响闸门前是否会产生 漩涡; 产生的漩涡是成对的 , 即一个局部开启的闸孔 前有两个漩涡; 由于闸室尺寸的限制 , 这种漩涡的范 围不大 , 一般在靠近检修闸门槽的位置形成, 随水流
2
闸前漩涡特性的试验研究
本文利用比尺 1 150 的正态模型 , 参考 1 30 的
模型试验 , 观察、 比较分析了该工程表孔溢洪道原方 案和优化方案中闸门前漩涡形成原因、 发展规律及 其消除措施。模型设计遵循重力相似准则。 在尽量保证减弱对实际进流条件和流量影响前 提下, 模型截取了溢流堰的一部分和其中一中孔闸 门, 试验在宽 0. 15 m, 长 3. 0 m 的水平水槽中进行。 因为是一中孔, 中孔净宽加上两边闸墩厚度, 模型总 宽度为 0. 12 m 。安装时, 水工模型中轴线与水槽中 轴线一致, 来流方向与闸孔轴线方向平行。安装好