挑流水舌泄洪雾化源形成过程研究

王思莹，刘向北，陈 端

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

挑流水舌泄洪雾化源形成过程研究

王思莹，刘向北，陈 端

(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

水利工程大功率泄洪引发的强降雨及雾流对工程运行安全和周围生态环境均可能产生较大影响。以往研究工作主要从工程安全出发，关注大坝下游两岸岸坡的泄洪雾化影响范围和雨强分布特性。由于泄洪雾化涉及复杂的水气两相流和高速水流运动问题，现阶段对雾化形成机理的研究尚不透彻。通过概化模型试验，利用高速摄影等测量手段，对不同水力条件下挑流水舌落水产生泄洪雾化的过程进行了观测分析，重点研究了落水点附近表面水体激溅反弹产生雾化源的过程，分析了泄洪雾化主要雾化源的组成和特点。研究表明泄洪雾化主要由水舌空中紊动掺气形成的抛洒雾源和水舌与下游水体碰撞反弹形成的激溅雾源组成，特别指出激溅雾源的形成与水舌入水导致的下游水体表面周期性壅水形成、破裂、消落的过程密切相关。

泄洪雾化；抛洒雾源；挑流水舌；落水区；激溅雾源

1 研究背景

随着我国水利水电事业的高速发展，大量“高水头、大流量、窄河谷”的大型水利枢纽正在或准备兴建。已有工程运行实例表明，高坝泄洪时很可能会在下游两岸岸坡引起降雨和雾流现象，称为泄洪雾化。由于高坝泄洪雾化引起的降雨强度可能远远大于自然降雨特大暴雨的雨强值，其对电站枢纽的正常运行、交通安全、周围生态甚至下游岸坡的稳定均可能造成较大危害。现在水利工程设计行业对泄洪雾化的危险比较重视，一般在工程规划设计过程中就加以考虑，进行专门的泄洪雾化影响预测分析和相应的防护设计[1-4]。相关科研设计单位通过原型观测、模型试验和数值模拟等研究手段，研究了很多大型水利工程泄洪时造成下游岸坡的雾化雨强等级划分、降雨和雾化影响范围等[5-6]。在此基础上，对拟建工程的泄洪雾化情况进行预测分析，并进行不同方案的工程防护措施研究[7-9]。为了进一步提高泄洪雾化影响范围和雨强的预测精度，为相关防护等级划分和防护设计方案制定提供依据，有必要对泄洪雾化的形成过程和发展机理进行研究。

原型观测环境恶劣，泄洪水舌落入水体产生激溅，然后扩散形成降雨雾化的过程观测难以实现。而物理模型试验的比尺效应以及观测手段的难度也抑制了相关研究的进展。当前对泄洪雾化形成过程的研究仍以数值模拟为主。针对雾源水舌挑射、落水、反弹的过程，学者们建立了不同的数学模型进行模拟研究。现在科研界公认泄洪雾化主要由水舌的空中扩散掺气和落水激溅产生，其中落水激溅又是主要来源[10-11]。刘宣烈等[12-13]研究了空中水舌掺气扩散过程及其运动特性，得到了水舌断面含水浓度的沿程变化规律。梁再潮[14]拟合了水舌运动轨迹、沿程掺气浓度、溅水区域、雾源量等参数的计算公式。张华等[15-16]建立了水滴随机碰溅的数学模型, 分析预测了挑流和底流消能泄洪雾化的地面降雨强度分布。柳海涛[17]在前人基础上改进了水舌入水喷溅的随机计算理论，开发了对溅水区进行时空离散的随机数学模型。此外，武汉大学刘士和教授课题组利用水泵产生的高速水流与水面碰撞形成雾源，结合数值计算结果，对雾化水流溅抛雨滴进行了专门研究[18-19]。

至今为止，对泄洪雾化源的直接观测研究仍不多见，有待深入补充。本文采用物理模型试验，专门针对挑流水舌落水产生雾化的过程进行测量分析，分析了水舌空中抛洒和落水点附近水体激溅反弹产生雾源的详细过程，可给泄洪雾化预测和形成机理研究提供参考依据。

2 试验布置

本试验在长江科学院泄洪雾化概化模型[20]上进行，模型规模为20 m×3 m×6 m(长×宽×高)。泄水建筑物采用有机玻璃制作，结构体形依据某水利工程表孔设计，为WES溢流堰接斜坡和出口连续挑坎的形式。整个泄水建筑物长2.3 m，高1.7 m，宽0.3 m，出口挑坎挑角为20°，安装高程为3.0 m。上游水库由高水箱模拟，下游水池规模为8.0 m×2.6 m×1.6 m(长×宽×高)。模型上下游水位通过测压管测量，流量采用量水堰测量。试验中采用2台高速摄影设备记录水舌和落水点附近水体的运动形态，图1为高速摄影的测量布置示意图。

图1 泄洪雾化试验测量布置Fig.1 Arrangement of measurement for the test of flood discharge atomization

如图1所示，试验中采用强光源从水舌侧上方照明，2台高速摄影仪分别布置在水池侧边和下游斜上方，拍摄频率均为200帧/s。试验测量了来流流量40～180 L/s范围内6种工况下挑流水舌的落水过程，各试验组次对应的水力条件如表1所示。

表1 试验条件Table 1 Test conditions

表1中水头表示泄水孔的堰上水头高度，与流量和出口流速变化相对应；水头落差定义为建筑物出口与下游水池水面的高差，对应水舌落入水体时所携带的能量和流速。试验中测量了表1所示的不同流量条件下，水舌落入下游水池的过程中在沿程及落水点四周形成的抛洒和激溅雾源的情况，测量分析结果见下节。

3 研究结果

如图2所示，高坝泄洪雾化形成过程可以分成2个阶段来研究，首先在整个运动过程中挑流水舌和下游水体表面形成不连续水体和破碎水滴等形式的雾化源(简称雾源)；然后雾源在惯性和水舌风等作用下，向周围扩散形成降雨和雾流。其中雾源的形成是泄洪雾化的一个关键过程，且由于其观测和研究难度大，现阶段仍极少见专门针对雾源的研究成果报道。已有观测结果表明，泄洪雾化有2种主要来源。一是水舌在空中运动过程中由于本身紊动和与周围空气相互作用导致表面水体裂散而形成的抛洒雾源；另外一个是水舌落水下游水体的过程中，与下游水体相互碰撞反弹而形成的激溅雾源。这2种雾源的分布区域和强度与来流的水力条件以及水舌的运动过程直接相关。

图2 泄洪雾化形成过程Fig.2 Formation process of flood discharging atomization

表2统计了本文各试验条件下挑流水舌落水区范围的特征参数。图3为不同流量条件下，挑流水舌空中形态以及落水区附近流态的照片。

表2 不同试验工况下挑流水舌落水区特征参数Table 2 Characteristic parameters of the nappedrop area in different hydraulic conditions

图3 抛洒雾源和激溅雾源Fig.3 Atomization sources formed by dropping and splashing

试验观测和研究表明[21]，2种雾源的粒径组成和出现频率有明显区别：抛洒雾源主要分布在空中水舌的两侧区域，数量较少，雨滴颗粒较大，主要受重力作用；激溅雾源主要分布在落水区四周，数量较多，雨滴大小各异，除重力作用外，空气阻力对雨滴运动的影响也较大。从以上图表中可以看出，在试验条件范围内，流量越大，挑流水舌的内外缘挑距越大，落水区长度和宽度也随之有所增加。随着来流流量和水舌流速的增加，挑流水舌所携带的能量增大，其水舌紊乱程度以及与下游水体的撞击激烈程度也增大，因此诱发的抛洒雾化源和激溅雾化源的强度和范围都更大。

由于抛洒雾源雨滴分布范围较广、出现频度低，受视野范围限制，不便用高速摄影技术记录。以往研究也表明，激溅雾源是泄洪雾化最主要的影响源，所以本文针对激溅雾源的形成过程进行了重点观测。下面以Q=64.5 L/s的典型工况试验结果为例，分析挑流水舌落入下游水体过程中形成激溅雾化源的运动过程。在该水力条件下，试验观测得到挑流水舌外缘挑距约为3.8 m, 内缘挑距约为3.1 m，水舌落水横向范围约0.7 m。

图4 落水区雾化源形成过程(Q=64.5 L/s，dH=2.05 m)Fig.4 Formation process of atomization source in nappe drop area(Q=64.5 L/s, dH=2.05 m)

图5 落水区水面壅水形成和消落的过程示意图Fig.5 Formation and dissipation of water surface bulge in nappe drop area

图4是利用高速摄影技术从侧面拍摄的典型周期不同时刻落水区附近的流态图，图5是一个壅水涨落周期中落水区水面线变化过程的示意图。根据连续拍摄的高速摄影图片可以看出，高速运动的挑流水舌在落入下游水池并下潜的过程中会导致水体表面周期性地形成壅水、破裂、消落，相应地在该区域形成周期性变化的激溅雾化源。分析结果表明，本试验工况条件下落水区形成壅水-消落产生雾源的脉动周期约为0.25～0.35 s。从图4和图5中可以看出，在前半周期中落水点前的主体水面前沿向斜前方隆起，后沿上升幅度相对较缓；到达最高点形成壅水鼓包之后，壅水的主体水面前沿基本在原位置下降，后沿水面向斜前方消落。整个过程在落水区域形成雾源的空间分布特性也随壅水进程而变化。总体来说，在壅水的形成过程中水面散裂水体形成的雾源更为明显。壅水形成过程中雾源雨滴向上激溅，壅水消落过程中雾源雨滴向下滴落。雾源雨滴的空间分布和粒径组成也随之变化。

4 结 论

本文在泄洪雾化的概化模型试验中利用高速摄影观测了挑流水舌落入下游水体过程中产生泄洪雾化源的运动过程，主要结论如下：

(1) 挑流水舌落水过程中有2种主要泄洪雾化来源：一是水舌在空中运动过程中，由于本身紊动和掺气而形成的抛洒雾源；另外一个是水舌落入下游水体的过程中，与下游水体相互碰撞反弹而形成的激溅雾源。

(2) 抛洒雾源雨滴粒径较大，颗粒数量与水舌紊动程度和掺气情况密切相关，主要分布在空中水舌两侧区域。激溅雾源雨滴粒径范围较广，颗粒数量与水舌入水速度、紊动程度及下游水体厚度相关，主要分布在落水区附近。

(3) 激溅雾源的形成与水舌入水导致的下游水体表面周期性壅水形成、破裂、消落过程密切相关。在壅水形成过程中，雾源雨滴向上激溅，壅水消落过程中雾源雨滴向下滴落，雾源雨滴的粒径组成和空间分布也随之变化。

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(编辑：刘运飞)

Formation of Atomization Source Caused byFlood Discharge Flow Nappe

WANG Si-ying, LIU Xiang-bei, CHEN Duan

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

The heavy rainfall and mist flow induced by flood discharge atomization of high dam projects may have negative effect on the hydropower project and its surrounding environment. Researchers have done much work on its influence region and rainfall intensity distribution on the downstream banks. Because of the complexity of this phenomenon, the formation mechanism of the flood discharge atomization is still not well revealed. Using high speed video technique in simplified hydraulic model tests, we observed the formation process of flood discharge atomization when a deflecting flow nappe drops into the downstream pool in different hydraulic conditions. We especially focused on the movement of the flow nappe and surface water around the drop area, and then analysed the components of different sources and their features. We obtain that the flood discharge atomization source could be divided into two types: dropping caused by the instability and aeration of nappe, and splashing caused by the collision between nappe and downstream water. Specially, the formation of the splashing atomization source is closely related with the periodical formation and dissipation of water surface bulges in the nappe drop area.

flood discharge atomization; atomization source caused by nappe drop; jet nappe; drop area; nappe splash

2013-10-11 ；

2013-11-14

国家自然科学基金青年基金项目(51109012)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201101005)

王思莹(1983-)，女，江西樟树人，高级工程师，博士，主要从事水工水力学、流体力学的研究，(电话)027-82829863(电子信箱)thing@ustc.edu。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.012

TV135.2；X45

A

1001-5485(2015)02-0053-05

2015,32(02):53-57