水利工程論文-射流沖刷試驗研究.doc

水利工程論文-射流沖刷試驗研究摘要：為研究影響射流沖刷的因素，作者進(jìn)行了70組試驗，分別研究了單管和多管，水平和有入射角，貼底和離開床面，靜水和動水等情況。對試驗結(jié)果的分析表明：在床沙一定、河流流速與射流流速相比不大的情況下，沖刷坑的幾何尺寸與Vj2/3D5/6有較好的關(guān)系。關(guān)鍵詞：射流射流清淤潼關(guān)高程水槽試驗1引言射流技術(shù)在生產(chǎn)實踐中有著廣泛的應(yīng)用。利用射流沖刷水下淤積物，作為慣常的機械挖泥的替代措施，也有所研究和應(yīng)用。例如美國海軍土木工程實驗室（NCEL）為解決軍港淤積問題，曾進(jìn)行了一系列室內(nèi)和野外試驗研究13。近年來，為抑制潼關(guān)河床高程的不斷抬升，在潼關(guān)河段利用安裝在船舶上的射流噴嘴系列進(jìn)行河道清淤及相應(yīng)的野外測驗和室內(nèi)試驗4,5。由于射流技術(shù)在工程中的廣泛應(yīng)用，針對射流和射流沖刷的具體問題的試驗和研究在文獻(xiàn)中常有報道。射流沖刷，特別是河道中射流清淤，是一個相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，受到諸多因素的影響，其中包括射流要素、河流要素及河床要素。由于其所包含的物理過程的復(fù)雜性，到目前為止，幾乎所有處理此類問題的方法都是經(jīng)驗性的，所有此類問題的研究都要依靠試驗。因此，系統(tǒng)地研究不同要素與沖刷效果的關(guān)系或者說不同條件下的沖刷效果，對于射流清淤系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行是十分必要的。作者通過室內(nèi)試驗對諸多因素進(jìn)行了比較系統(tǒng)的試驗和分析研究。2試驗簡介試驗在大型玻璃水槽中進(jìn)行，幾何尺寸為：長76m，寬1.2m、深0.9m。選用煤灰做模型沙。其顆粒容重s=2.15g/cm3,鋪沙孔隙率為0.61,干容重0=0.84g/cm3,級配如表1。表1沙樣粒配Sizedistribution粒徑(mm)0.0050.010.0150.0250.050.0750.1D50累積沙重%5.58.115.837.579.790.51000.03射流管用紫銅管及不銹鋼管制作。單噴嘴的噴嘴內(nèi)徑D分別為0.162cm，0.285cm，0.499cm三種。多噴嘴的噴嘴內(nèi)徑D為0.278cm，在同一配水管上安裝七個噴嘴，噴嘴間距為5cm，試驗時可封堵4個管嘴，造成間距為5cm、10cm、15cm的三管射流。用可變高度的溢流水箱產(chǎn)生不同的穩(wěn)定水頭，最大水頭可達(dá)3m，最大射流流速約為5m/s。射流沖刷試驗分別在靜水和動水中進(jìn)行。3試驗結(jié)果與分析3.1靜水中水平貼底射流沖刷如前所述，射流沖刷是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其影響因素有射流因素:包括射流噴嘴形狀和尺寸（本次試驗均用直徑為的圓形噴嘴）、射流流速Vj、噴嘴距床面的高度H、射流與床面的夾角等變量；河流因素:包括河道水深h，流速V、含沙量c等變量以及射流與河道水流的相對方向；河床要素:包括河床淤積物的粒徑級配、沉積密實度等變量，以及參與射流過程中的流體和固體物質(zhì)的基本物理性質(zhì)如密度、粘性等等。把這一復(fù)雜的過程寫成數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式，則有L=f(射流因素，河流因素，河床因素)(1)式中L為沖刷坑形態(tài)中的某一特征長度。在河流和河床條件一定的情況下，式（1）L=f(D,Vj)(2)就最大沖刷距離Rm（噴嘴至與原始河床齊平處的距離）對D和Vj進(jìn)行多變量回歸（圖1）得Rm=2.2Vj2/3D5/6（單位:cm）(3)在流體動力學(xué)中，對于水下圓管射流，由流體運動方程導(dǎo)出射流中心線上縱向流速變化6Vm=6.4DVj/R(4)若假定中心線上流速隨距離R增加而減少到一臨界值Vc時河床不在沖刷，則相應(yīng)的最大距離為Rm=6.4DVj/Vc(5)顯然，當(dāng)Vc一定時，RmD1.0,RmV1.0j。與式(3)比較，在方次上有明顯的不同。因為式(4)的流速分布只適用于無限邊界的情況。李芳君等7曾做過同類試驗，對其資料整理得Rm=1.25D0.8Vj2/3(6)式(6)在管徑和流速的次方上與式(3)接近。NCEL根據(jù)室內(nèi)研究的結(jié)果提出下列無量綱方程13(Rm/D)2.4=120Vj2/cR0.4e(7)式中為流體密度；Re為射流雷諾數(shù)；c為臨界切應(yīng)力。式（7）可轉(zhuǎn)化為Rm=7.352.5/61/6D5/6Vj2/3/2.5/6c(8)當(dāng)、和取一定值時，RmD5/6Vj2/3。盡管方程(7)是由薄層淤積物的二維沖刷試驗中得出的，但其沖刷的最大距離與管徑和射流流速的關(guān)系在次方上與式（3）是一致的?？梢娛?3)所反映的沖刷距離與射流動力指標(biāo)之間的關(guān)系，在不同的試驗中得到證實。床沙抗沖性能的不同，則反映在該式的系數(shù)之中。靜水中水平貼底射流條件下的沖刷坑總體形態(tài)，在平面上呈淚滴狀，縱剖面呈勺形。表2所列為沖刷坑特征表2沖刷坑尺寸相對比例Ratioofscouredholesize尺寸與最大沖刷距離的相對值。由表2可知，長、寬、深之間存在固定的比例，盡管各次試驗結(jié)果不盡相同，但其變化范圍很小。作為平均值，可取Bm/Rm0.36，Hm/Rm0.10。因此，最大沖刷寬度Bm和最大沖刷深度Hm可表達(dá)為組次No12345Bm/Rm0.330.330.370.340.38Hm/Rm0.0920.0970.0980.0930.101Bm=0.79Vj2/3D5/6（單位:cm）(9)Hm=0.22Vj2/3D5/6（單位:cm）(10)沖刷坑特征尺度之間的比例關(guān)系一定，實際上就預(yù)示著沖刷坑幾何形態(tài)的相似性，將其各尺度標(biāo)準(zhǔn)化后，例如均除以最大沖刷距離Rm，則各組試驗的幾何形態(tài)應(yīng)該是同一的（圖2），這與有關(guān)文獻(xiàn)中的結(jié)果是一致的8,9。由此，可推知沖刷坑最大沖刷表面積和最大沖刷體積分別為A=aRmBm(11)V0=bRmBmHm(12)其中系數(shù)a、b對各組試驗均應(yīng)為相同值，根據(jù)試驗結(jié)果得出本試驗中a=0.7,b=0.3,即A=0.7RmBm或A=0.25R2m(13)V0=0.3RmBmHm或V0=0.011R3m(14)3.2并列多管嘴射流沖刷圖1Rm與Vj2/3D5/6關(guān)系圖圖2標(biāo)準(zhǔn)化后的縱剖面RelationshipbetweenRmandVj2/3D5/6Dimensionlessscouredholeprofile以上討論了單支噴嘴射流沖刷的情況。在實際生產(chǎn)中，為擴大沖刷范圍，常采用多噴嘴并列的組合結(jié)構(gòu)，即在同一配水管上并列多支噴嘴進(jìn)行射流沖刷。本次試驗采用同一管徑（D=0.278cm)的三支噴嘴并列組合。多支噴嘴并列沖刷，管距在一定范圍內(nèi)會相互影響，超過一定距離其相互影響就會消失。對試驗結(jié)果的分析表明(詳見文獻(xiàn)10)：1三管并列時各管的最大沖刷距離值Rm值存在一定的差別，之間一般可差1020；與單管相比，三管中最大沖刷距離Rm的最大值與單管時基本相同，三管平均值則減小約10%。2三管并列時各管的最大沖刷深度Hm之間也存在一定差別，由于各深度絕對值較小，其相對誤差較大；但與單管平均最大沖刷深度相比，則有大有小，平均而言，可認(rèn)為二者基本相同。3如果以兩邊沖刷坑最大寬度外側(cè)一半之和來表示三管并列時單管沖刷的最大寬度，則與單管沖刷時最大寬度相比基本一致，甚至三管時略有偏大。4多管沖刷與單管沖刷的主要差別在于：當(dāng)相鄰兩管之間的間距大于或等于單管沖刷的最大寬度時，沖刷坑之間基本保持各自單獨的形態(tài)，相鄰兩坑之間可留下與原床面等高的垅脊；當(dāng)相鄰兩管之間的間距小于單管沖刷的最大寬度時，則兩沖刷坑相連，其間的垅脊高度減??；隨著兩管間距的進(jìn)一步減小（或射流流速的進(jìn)一步增大），沖刷最大寬度處的垅脊則幾近沖平。5當(dāng)兩管間的距離小于單管沖刷的最大沖刷寬度時，其沖刷坑的總體積顯然小于三管分別沖刷時的體積之和，但就沖刷坑的平整而言，距離愈小則愈平坦。3.3河道水流對射流沖刷的影響在天然河道中清淤時，有河道水流參與。河道水流與射流相對方向的不同，例如同向、斜向、橫向、逆向等，對射流沖刷的影響也不相同。本次試驗只研究河道水流與射流在縱向上同向的情況。本試驗選用三種不同的河道水流流速，即保證河床泥沙在河道水流作用下不起動的流速V=4.9cm/s，接近床沙起動的流速V=9.8%cm/s%和床沙只有少量起動的流速V=16.3cm/s（模型值）。因此，在所有選定的動水情況下，河床的沖刷仍然是射流起主導(dǎo)作用。試驗結(jié)果表明，在動水中的沖刷坑總體形態(tài)仍大致與靜水時相似；Hm/Rm在0.090.13之間變化，Bm/Rm在0.30.4之間變化，與靜水時的相應(yīng)值大致相當(dāng)；但在動水情況下，沖刷坑局部形態(tài)略有變化：沖刷坑尾部的淤積沙壟及尾部的淤積沙壟及尾部輪廓不再明顯，尾部反坡比降略有減小。動水中沖刷坑總體形態(tài)與靜水中相似，說明其仍然是射流動力指標(biāo)V2/3jD5/6作用的結(jié)果，根據(jù)試驗資料，可得出包括河道流速影響的沖刷坑特征尺寸與射流強度V2/3jD5/6間的經(jīng)驗關(guān)系，即Rm=2.2(1+0.018V)Vj2/3D5/6(15)Bm=0.79(1+0.018V)Vj2/3D5/6(16)Hm=0.22(1+0.018V)Vj2/3D5/6(17)當(dāng)V=0時，上述各式即化為靜水中沖刷時的式(3)、(9)和(10)?？梢婋S著河道流速的增大，沖刷坑尺寸將隨之線性地增大，在本試驗的情況下，動水比靜水時增大了0.018V倍。為驗證上述三式，將所有試驗值與用上述三式計算的值點繪于圖3、4和5中。可以看出，實測值與計算值基本上成45線，說明上述三式基本反映了水平貼底射流沖刷的實際情況。圖3計算的Rm值與實測的Rm值對比圖圖4計算的Bm值與實測的Bm值對比圖ComparisonbetweencomputedandmeasuredRmComparisonbetweencomputedandmeasuredBm3.4噴嘴不同高度與角度時的沖刷結(jié)果在實際應(yīng)用中，射流管并不一定總是水平貼底這種情況，在許多情況下需要將其提離床面一定高度H并與床面成一入射角度。因此，進(jìn)行了不同提升高度H和不同角度的試驗。對于水平射流,只在相同河道流速和射流條件下進(jìn)行了兩組噴嘴離開床面不同高度的試驗。其河道水流流速為9.8%cm/s,射流管徑為0.285cm,射流流速為477cm/s。試驗結(jié)果見表3?？梢钥闯?，只要管嘴提離床面不大的高度（如2cm）,沖刷坑的尺度就有較大的減小，特別是其深度的減小值（3.74cm）已超過了管嘴的提升高度。由于沖刷效果明顯減小，只此一例即可說明在水平射流的實際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免噴嘴提離床面。否則，應(yīng)改變噴嘴傾角。為了探討噴嘴提升高度H及與床面夾角對沖刷效果的影響，進(jìn)行了不同H和30、60、90的試驗。試驗觀測表明，當(dāng)噴嘴提升一定高度并與床面有一定夾角時，射流水體斜向或垂直地沖擊河床。當(dāng)射流與床面夾角小時，沖擊水流順流而下，主要在射流水股的前方正向和兩側(cè)斜向沖出坑外，只有在沖坑較淺時才有些許折返的逆向水流；隨著射流與床面夾角的增大，沖擊水流前行不暢，因此在前行水流減小的同時，側(cè)向水流增加，折返的逆向水流也將增大；當(dāng)變?yōu)榇瓜蛏淞鲿r，如不計河道流速的影響，則沖擊水流由射流水股的周圍均勻沖出沖坑。反映到?jīng)_刷過程和沖坑形態(tài)上，星度時沖刷坑以向前發(fā)展為主，同時也向側(cè)向發(fā)展，但向后發(fā)展只在沖刷的初期坑深較小時發(fā)生，而且距離極短；在角度較大時，則沖刷坑在向前發(fā)展的同時也向側(cè)向發(fā)展，并持續(xù)向后發(fā)展；變?yōu)榇怪鄙淞鲿r，沖刷坑向四周發(fā)展，其平面形狀為圓形。圖5計算的Hm值與實測的Hm值對比圖ComparisonbetweencomputedandmeasuredHm表3水平射流時噴嘴不同高度的沖刷結(jié)果Dimensionsofthescouredholeforhorizontaljetatdifferentlevelsabovethebed組次噴嘴高度最大沖刷最大沖刷最大沖刷NoH距離Rm寬度Bm深度Hm(cm)(cm)(cm)(cm)19061185.4633247.59.11.72圖6所示為噴嘴高度和角度一定時沖刷坑特征尺寸與射流動力因素之間的關(guān)系?？梢钥闯觯鞣N情況下Rm與V2/3jD5/6大致成線性關(guān)系，即Rm=KVj2/3D5/6-C(18)即當(dāng)噴嘴離床面一定高度并與床面有一定角度時，存在一個臨界的V2/3jD5/6值，當(dāng)其小于這個臨界值時，河床即