溢洪道曲面貼角鼻坎脈動(dòng)高壓特性分析

溢洪道曲面貼角鼻坎脈動(dòng)高壓特性分析

1解決消能問(wèn)題和目作為主要的排水建筑物，溢流道的出口和水位可根據(jù)兩種配置方式進(jìn)行配置：一種是與河流軸之間的一定角度，另一種是與河流軸平行的。對(duì)于第一種布置方式,當(dāng)夾角角度不大時(shí),采用窄縫或連續(xù)式挑坎都可以解決泄洪消能問(wèn)題,當(dāng)夾角角度過(guò)大或出現(xiàn)第二種布置方式時(shí),簡(jiǎn)單的窄縫或連續(xù)挑坎都不能解決水流的導(dǎo)向消能問(wèn)題。曲面貼角鼻坎作為一種使高速水流有強(qiáng)烈導(dǎo)向作用的消能工,對(duì)該問(wèn)題的解決提供了一定參考依據(jù),但解決消能問(wèn)題的同時(shí)也帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題,即鼻坎高壓振動(dòng)問(wèn)題。使鼻坎產(chǎn)生高壓振動(dòng)的一個(gè)主要作用力,就是水流在鼻坎上較大脈動(dòng)壓強(qiáng)作用問(wèn)題。因此研究鼻坎水流脈動(dòng)壓強(qiáng)特性就具有一定的重要意義。本文通過(guò)對(duì)已建工程原型脈動(dòng)壓強(qiáng)資料分析,對(duì)曲面貼角鼻坎的脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行了具體分析,并在分析基礎(chǔ)上,結(jié)合模型試驗(yàn)資料對(duì)脈動(dòng)壓強(qiáng)相似性問(wèn)題進(jìn)行了對(duì)比分析。2鼻坎和折流器某工程樞紐由大壩、泄水建筑物和電站三部分組成,泄水建筑物由壩身泄水孔和岸邊溢洪道組成,溢洪道位于左岸邊。由于受樞紐布置及出口消能等因素的影響,溢洪道體型比常規(guī)體型較為復(fù)雜,豎向有兩個(gè)渥奇面及一個(gè)變坡,水平向收縮后又旋轉(zhuǎn),出口使用了曲面貼角鼻坎和折流器,鼻坎體形如圖1所示。在鼻坎前后,高速水流邊界體形發(fā)生突變,為了對(duì)突變處水流脈動(dòng)壓強(qiáng)特性進(jìn)行研究,先后通過(guò)模型與原型,分別對(duì)水流脈動(dòng)壓強(qiáng)進(jìn)行了觀測(cè)。3動(dòng)脈高血壓分析3.1測(cè)試結(jié)果分析原型觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示?？紤]到溢洪道a-a斷面是邊墻曲線(xiàn)變化的一個(gè)奇點(diǎn),即邊墻旋轉(zhuǎn)的同時(shí),從頂部到底部,曲率半徑不斷減小。體型變化必然伴隨高速水流特性的變化,所以脈動(dòng)壓強(qiáng)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)主要分布于鼻坎近底部的邊墻上。其中1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)主要是為測(cè)試脈動(dòng)壓強(qiáng)隨高程的變化分布規(guī)律而設(shè),2#、4#、5#測(cè)點(diǎn)是為尋找近底部脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律而設(shè)。觀測(cè)共進(jìn)行多組測(cè)試記錄,通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),儀器所采集數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定,同一測(cè)點(diǎn)最大與最小之差不超過(guò)2%,避免了儀器或水位不穩(wěn)定對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。為了對(duì)測(cè)點(diǎn)處原型壓強(qiáng)變化情況進(jìn)行對(duì)比分析,將各測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)與脈動(dòng)壓強(qiáng)、紊動(dòng)強(qiáng)度分布進(jìn)行匯總?cè)鐖D2所示。其中紊動(dòng)強(qiáng)度即脈動(dòng)壓強(qiáng)與時(shí)均壓強(qiáng)之比的百分?jǐn)?shù)。3.1.1水體幫助部位從圖2中可以看出,近底部2#、4#、5#點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)比其上部對(duì)應(yīng)點(diǎn)稍大一些,近底部靠近拐點(diǎn)的2#點(diǎn)比鼻坎上的4#、5#點(diǎn)大一些。時(shí)均壓強(qiáng)出現(xiàn)這一分布規(guī)律的主要原因在于拐點(diǎn)處邊界對(duì)水流的作用力。2#測(cè)點(diǎn)處于邊界的導(dǎo)向圓弧上,水流出現(xiàn)離心力作用,流速被減小,動(dòng)水壓強(qiáng)增加。從能量轉(zhuǎn)化的角度分析,即動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓能,所以2#點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)比較大。而后面的溜槽與鼻坎又迫使水流在橫向收縮的同時(shí),縱向拉開(kāi),特別是溜槽的出現(xiàn),水流流場(chǎng)發(fā)生較大變化,迫使水流縱向下降的趨勢(shì)勢(shì)必導(dǎo)致水流流速增加,流速增加必然出現(xiàn)壓強(qiáng)沿程減小的趨勢(shì),所以4#、5#點(diǎn)相對(duì)于2#點(diǎn)壓強(qiáng)有所下降。所有測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓強(qiáng)變化規(guī)律與體型變化規(guī)律基本一致。3.1.2u3000紊動(dòng)強(qiáng)度及沿程增加從圖2中各測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓強(qiáng)分布情況看,脈動(dòng)壓強(qiáng)比較穩(wěn)定,基本分布在30kPa左右,沒(méi)多少變化。結(jié)合時(shí)均壓強(qiáng)與脈動(dòng)壓強(qiáng)值進(jìn)行水流紊動(dòng)強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖中水流紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律所示。從圖2中可以看出:2#測(cè)點(diǎn)雖然壓強(qiáng)最大,但其紊動(dòng)強(qiáng)度卻最小,處于各測(cè)點(diǎn)中最高位置的1#測(cè)點(diǎn)雖然壓強(qiáng)最小,但其紊動(dòng)強(qiáng)度卻最大。近底部紊動(dòng)強(qiáng)度有沿程增加之趨勢(shì)。文獻(xiàn)對(duì)紊流脈動(dòng)流能量方程進(jìn)行討論后得出如下結(jié)論:紊動(dòng)就要不斷耗散能量,而為了保持紊動(dòng),就要不斷向其提供能量,提供能量的方式就是時(shí)均流通過(guò)雷諾應(yīng)力進(jìn)行傳遞。即時(shí)均流能量減小,脈動(dòng)流能量增加。此處1#測(cè)點(diǎn)靠近水面,壓強(qiáng)較小,水流摻氣較多,渦旋比較劇烈,導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度加劇;而近底部水流時(shí)均壓強(qiáng)較大,紊動(dòng)強(qiáng)度卻比較小。隨著測(cè)點(diǎn)位置向下游的推進(jìn),在鼻坎附近,水流又出現(xiàn)縱向拉開(kāi)之趨勢(shì),臨空面增加,摻氣隨之增加,則時(shí)均壓強(qiáng)不斷減小,時(shí)均流所具有的能量必然下降,紊動(dòng)強(qiáng)度又呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。這一變化規(guī)律符合水流邊界的變化,即鼻坎前到鼻坎中水流紊動(dòng)強(qiáng)度隨著體型不斷變化呈現(xiàn)交替變化規(guī)律是合理的。從圖2中還可以看出,所測(cè)各點(diǎn)最大紊動(dòng)強(qiáng)度均不大于10%,比較小,說(shuō)明鼻坎處水流脈動(dòng)壓強(qiáng)對(duì)建筑物安全運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響。3.1.3壁壓脈動(dòng)參數(shù)特征頻譜特性是水流脈動(dòng)壓強(qiáng)分析的一個(gè)重要方面,合理的頻域范圍和結(jié)構(gòu)對(duì)建筑物安全具有非常重要意義。頻域范圍即通常所說(shuō)的優(yōu)勢(shì)頻率,頻域結(jié)構(gòu)即頻率類(lèi)型。優(yōu)勢(shì)頻率的計(jì)算一般有兩種,一種是以大于或等于最大譜密度值的1/2為界限進(jìn)行確定,另一種是以大于或等于譜密度曲線(xiàn)中面積的1/2為界限進(jìn)行確定,兩種方法無(wú)本質(zhì)區(qū)別。此處以大于或等于最大譜密度值的1/2為依據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。各測(cè)點(diǎn)頻率特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。文獻(xiàn)指出:壁壓脈動(dòng)分為兩種,一種是均勻流和漸變流邊界上的脈動(dòng),一種是流態(tài)突變邊界上產(chǎn)生的脈動(dòng)。前一種脈動(dòng)主要受小渦旋影響,頻域結(jié)構(gòu)為高頻、多峰、低幅脈動(dòng),后一種受大尺度渦旋影響,頻域結(jié)構(gòu)多呈現(xiàn)低頻、單峰、高幅脈動(dòng)。通過(guò)表1可以看出,此處水流基本上屬于低頻大尺度脈動(dòng),且各測(cè)點(diǎn)的頻域變化規(guī)律與圖2中紊動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律比較一致。1#測(cè)點(diǎn)紊動(dòng)強(qiáng)度最大,其優(yōu)勢(shì)頻率范圍最小,為單峰脈動(dòng);近底部2#、4#、5#測(cè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)頻率范圍較大,呈現(xiàn)雙峰脈動(dòng)。該頻率特性不會(huì)與建筑物自振頻率發(fā)生耦合共振,因此對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)安全也不會(huì)產(chǎn)生影響。3.2原生長(zhǎng)規(guī)律和模型測(cè)試結(jié)果試驗(yàn)在1∶50模型上進(jìn)行,測(cè)點(diǎn)與原型位置基本相同,壓強(qiáng)測(cè)試結(jié)果按重力相似準(zhǔn)則換算到原型,分布如圖2所示。試驗(yàn)是按標(biāo)準(zhǔn)工況庫(kù)水位進(jìn)行測(cè)試,而原型是按觀測(cè)時(shí)水庫(kù)實(shí)際水位進(jìn)行測(cè)試,所以原型庫(kù)水位比模型測(cè)試工況高約1m,測(cè)試結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一些差異。模型時(shí)均壓強(qiáng)、脈動(dòng)壓強(qiáng)、紊動(dòng)強(qiáng)度分布規(guī)律如圖2中所示。從圖中可以看出,模型時(shí)均壓強(qiáng)與原型時(shí)均壓強(qiáng)分布規(guī)律基本一致。模型水位比原型低約1m,在邊界相對(duì)突變不大的1#、3#測(cè)點(diǎn),模型時(shí)均壓強(qiáng)比原型小,在邊界突變比較大的2#、4#、5#測(cè)點(diǎn),時(shí)均壓強(qiáng)比原型還大。這些變化都順應(yīng)了高速水流流場(chǎng)的變化規(guī)律。脈動(dòng)壓強(qiáng)分布規(guī)律與原型相同,但總體幅值比原型小,大約只有原型的40%～50%。一方面有水位的影響,另一方面可能也有測(cè)試差別、甚至于相似性的影響。由于脈動(dòng)壓強(qiáng)的減小,水流紊動(dòng)強(qiáng)度也出現(xiàn)了一些差異。強(qiáng)度幅值約占原型的40%～50%,分布趨勢(shì)比較一致。由于頻率的相似性問(wèn)題爭(zhēng)議比較大,所以只對(duì)模型頻率進(jìn)行匯總,如表2所示。對(duì)比表2與表1的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),原型與模型的頻率分布特性比較接近。如果按重力相似準(zhǔn)則將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行換算,反而與原型出現(xiàn)較大差異。即模型與原型可能存在頻率比尺λf=1的結(jié)果。此處,通過(guò)原型與模型的對(duì)比發(fā)現(xiàn),壓強(qiáng)有一些差別,這主要在于原型與模型水位不一致,但總體趨勢(shì)比較一致。而優(yōu)勢(shì)頻率與主頻基本上都相近(不包括5#測(cè)點(diǎn)),都在低頻范圍內(nèi)。即曲面貼角鼻坎脈動(dòng)