掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

掺气折流器对侧空腔和底空腔长度的影响

摘要：在突扩突跌掺气设施中，为保证掺气效果，增加底空腔的长度，加设折流器是有效的工程措施。试验证明，折流器坡度和高度对空腔长度均有影响，较高的折流器增加空腔长度明显，且使底空腔与侧空腔贯通，有利于底空腔充分掺气。回溯水流使底空腔变短，有效空腔长度是影响掺气效果的重要因素。在空腔长度的计算中应综合考虑，顶板坡角，跌坎挑角和折流器体型的影响，得出的计算公式有实际应用和理论意义。

关键词：掺气折流器底空腔侧空腔射流

对于高水头泄水建筑物来说，除了要解决高速水流引起的空腔破坏外，闸门止水的安全和优化问题也日渐突出。利用突扩突跌掺气设施一方面可以满足掺气减蚀的要求，另一方面适合于偏心铰弧门采用同曲面液压密封框止水，可保证闸门止水的安全可靠和优良运行。但突扩掺气缺乏成熟的工程经验和理论依据，在国内外已建工程中均有

遭到空蚀破坏的事例，其原因尚未完全搞清楚。因此通过试验来研究突扩突跌掺气水流的规律，在侧墙加设折流器后对空腔特性、压力分布、掺气浓度所造成的影响等有现实意义。

1 试验方案及设备

试验研究在三峡工程泄洪深孔突扩突跌掺气水工模型上进行。模型按重力相似准则设计，模型比尺为1∶25，模型最大流量为350L/s，出口断面流速为 4.5 ～7 m/s，Fr=2.47～3.59，Re=1.7×106～2.4×106，Wb=330～490.模型侧向折流器如图1所示，模型中侧收缩宽度由零渐变至2cm，侧收缩坡度各取1∶4，1∶6，1∶8，折流器高度各取为H，1/2H,1/3H（H为孔口高度）。在侧墙和底板上布置了时均压力测孔、脉压测孔、掺气浓度感应片。掺气通气孔风速用热球式风速仪测量，掺气浓度用中国水利水电科学院研制的848型掺气浓度仪量测。

为探讨侧向折流器不同高度和体型对侧墙和底板各掺气水力要素的影响，试验研究比较了6种方案，如表1示。

2 试验结果及分析

2.1 流态由于侧向突扩，水流从有压段出口流出后向四周扩散，由

二维流动变为较复杂的三维流动。扩散水流撞击侧墙后，向上扩散的水流形成水翅，向下扩散的水流形成水帘。水翅回落至正常水面后在其下游又会激起冲击波，流态较复杂，水翅过高也会冲击门铰。向下扩散的水帘增加底空腔的回溯水流，减小了底空腔长度。

表1 试验方案

侧向突扩水流对侧墙的影响可大致分为4个区域，即空腔区、压力骤变区、低压区和稳定区，如图2所示，图中Lb为底空腔长度，Lr为有效底空腔长度，Ls为侧空腔长度。

试验中定义沿侧墙的水股高出同一断面射流中心线水面的垂直高度为水翅高度Hf，高出中心线水面部分的水平长度为水翅长度Lf.空腔区是自水流脱离孔口侧壁起至水股在下游与侧墙相交处的水平距离。

图1 侧向折流器示意

水翅最高点位置，随库水位的升高向下推移。水翅最大高度与水翅长度，随库水位升高而明显加大，其与折流器的高度也有关，但与折流器坡度没有明显的相互关系。

值得注意的是，当折流器高度较小时，侧空腔长度变小，孔口出流与突扩侧墙的冲击角变大，产生一股斜角向下的白色逆向水射流，直接冲击弧形止水道。这种现象一般在折流器高度小于一半孔口高度时较多发生，白色逆向水射流的冲击点高程与折流器高度有关。

图2 突扩掺气设施流态示意

当折流器高度超过一半孔口时，侧空腔加长，孔口出流与侧墙冲击角变小，逆向水射流减弱，此时由于冲击点向下游推移，逆向水射流对弧形止水道边构不成威胁。

2.2 侧空腔长度侧空腔长度是反映孔口出流自孔口侧壁起至出流与下游侧墙冲击处的水平距离。由于孔口侧壁在垂直方向上为圆弧形，出流的横向扩散沿水流方向逐渐加强，因此出流与侧墙的冲击交点与孔口的距离并不相等。未加折流器时，一般为顶部距离大，底部距离小，加折流器后，顶部距离小，底部距离大。取孔口中心高程处孔口

侧壁末端至出流与侧墙的冲击交点的水平距离为侧空腔长度，各方案的试验结果如图3所示。

由图3可以看出，加设折流器可以加长侧空腔长度，其与折流器高度有关。高度超过孔高一半以上的折流器对加长侧空腔长度有明显效果，相反，高度低于孔高一半的折流器，与无折流器相比，由于对孔口底部水流横向扩散约束影响，反而缩短了侧空腔长度。

2.3 底空腔长度

2.3.1 底空腔长度试验结果空腔长度越长，掺气越充分，减蚀效果越好，因此。空腔的长短是衡量各种方案优劣的重要指标。

图3 不同方案侧空腔长度比较

孔口出流脱离跌坎后，水舌底缘沿程紊动扩散，掺气量加大，水和空气间形成一道过渡带，没有明显的气水界面，这给底空腔长度的量测造成困难，对水舌底缘的判断不同，测量结果差异较大。文献[1,2]曾定义沿空腔中掺气浓度为60%的等浓度线为空腔气水界面，通过量测掺气浓度分布来确定底空腔长度，显然这种方法费时费力，后来产

生出通过量测底板时均压力来确定底空腔长度的方法，用P=0.4(Pmax-Pca)的位置来确定底空腔长度，式中：Pmax为底板上的最大时均压力，为Pca空腔中的最小压力。也有人直接用底板时均压力最大点的位置来确定底空腔长度。

根据本试验直接观测到的底空腔长度数据与上述两种方法出入较大，而与下式表达的底板时均压力吻合，如图4所示。

P=0.75Pmax (1)

大量试验表明，水舌冲击底板后，产生一部分水流沿底板向上游回溯的现象，实际净空腔的长度远小于底空腔的长度（如图2中，Lrb）。因此采用底空腔长度Lb来说明掺气能力是不够全面的，有效空腔长度Lr缩短，掺气量减小，减蚀效果也大为削弱。冯家山和乌江渡等工程的原型观测资料[3]也表明，原型水舌下缘漩滚强度和回溯水流比模型更加严重。所以采用有效空腔长度来作为设计掺气设施的依据是安全的。

有效空腔长度的量测，与用底板时均压力大小来确定空腔长度的方法进行对比分析发现，有效空腔长度值较符合下式表述的底板时均压力值，如图5和表2示。