齿墩数量对齿墩式内消能工消能率影响试验

张 泽，田 淳，张 婷（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）



齿墩数量对齿墩式内消能工消能率影响试验

张 泽，田 淳，张 婷
（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

摘要：针对洞塞式消能工对消能体型的过流能力有较大影响的缺点，为尽可能减小其影响，进行了齿墩式内消能工物理模型试验，设计了面积收缩比为0. 375条件下不同齿墩数量的3种方案来试验分析齿墩式内消能工过流能力、局部水头损失系数、消能效果、脉动压强特性及脉动流速特性。试验结果表明：齿墩数量对齿墩式内消能工的消能效果起着一定的作用，在试验范围内，随着齿墩数量的增加，过流能力增强，局部水头损失系数减小，消能率降低；紊动强度在距齿墩段进口1. 5D （D为管道内径）处达到最大，7D后趋于平稳；脉动压强在距齿墩段进口1. 3D～1. 6D达到最大，然后急剧衰减，在距进口5. 6D处趋于平稳。

关键词：齿墩式内消能工；过流能力；消能率；局部水头损失系数；紊动强度

内消能工是在泄水建筑物内部，通过过流断面的突变或其他工程措施，人为制造大紊动的旋滚，使水体部分内能转化为热能，达到消能目的的消能设施。内消能工主要分为突扩突缩式消能工和旋流式消能工两大类。突扩突缩式消能工分为孔板式消能工和洞塞式消能工两种[1-9]。多级孔板式消能工已在黄河小浪底水利枢纽工程的泄洪洞中获得应用[10]；加拿大的Mica坝[11]在20世纪60—70年代已成功应用了洞塞式消能工。洞塞式消能工主要问题是过流面积较小，制约了过流能力，从而限制了其应用。张婷等[12-13]提出了齿墩式内消能工并对齿墩式内消能工的水力特性进行了初步研究，表明面积收缩比是影响过流能力的重要指标，但由于齿墩形状的限制，并不能准确分析齿墩数量对过流能力的影响。本文在前期工作的基础上，将齿墩底部的平面设计为曲面，分析在面积收缩比相同、齿墩数量不同的情况下，齿墩式内消能工的过流能力、消能率、局部水头损失系数、脉动压强特性及脉动流速特性。

1 试验装置及方案

试验装置由水箱、管路、阀门等组成，水箱由供水系统供水，可保证水位不变；管路由铁管和有机玻璃管构成，试验段采用有机玻璃管，可便于观察管内流态，管道内径D＝15 cm，试验段有机玻璃管长为370 cm，试验段后有足够长的用法兰连接的直铁管段，尾部为有压出流，如图1所示。

设计了相同面积收缩比的3种不同齿墩数量（齿墩数量n＝3、4、5）的消能方案，其中齿墩段长度β＝13. 5 cm，面积收缩比ε＝A1/ A0＝0. 375（A0为管道的面积，A1为齿墩段的过流面积），各试验方案具体尺寸如图2所示（各方案坐标系相同）。试验流量范围为8. 16～43. 82 L/ s。

试验测量的参数有流量、流速和压强。流量由精度为0. 5级的智能电磁流量计测量，流量可由阀门控制，最大量程为600 m3/ h。流速由多普勒测速仪DOP3010传感器测量，试验采样频率为1 MHz。流速数据由计算机自动控制采集、记录。在试验管段顶部共布设9个流速测点，以齿墩段进口处为坐标轴原点，测点位置用相对于管径的倍数表示，具体测点分布如图3所示。

压强由精度为0. 1%的智能数字压力传感器测量，试验采样时间为30 s、频率为100 Hz。压力数据由计算机自动控制采集、记录。在齿墩段布设2个测量断面，齿墩段前6个测量断面，齿墩段后10个测量断面，共30个测压点，具体测点布置如图4所示。

2 试验结果分析

2. 1 过流能力

雷诺数Re是表征惯性力与黏滞力的比值，可以用来判别液流形态。雷诺数Re＝vD/ν，其中v＝Q/ A为断面平均流速，管道内径D＝15 cm，试验在10℃水温中进行，运动黏度ν＝0. 013 10 cm2/ s。各试验方案的流量系数μc与雷诺数Re的关系曲线见图5。

从图5可以看出，在面积收缩比ε＝0. 375的情况下，雷诺数对各个方案的过流能力几乎无影响，方案A、B、C的流量系数依次增大，其过流能力依次增强，说明齿墩数量对过流能力有一定的影响，在面积收缩比相同的工况下，齿墩数量越多，过流能力越强。

图1 试验装置示意图（单位：cm）

图2 3种试验方案尺寸示意图（单位：cm）

图3 流速测点布置

图4 压强测点布置

图5 各试验方案流量系数与雷诺数的关系

2. 2 消能特性

设4号、8号、14号测点压强分别为p1、p2、p3，速度为v1、v2、v3（由理论公式v＝Q/ A求得），其中v1＝v3。水头损失系数ζ可表示为式中ΔH为前后断面的总水头差。

局部水头损失系数是直接影响内消能工消能效果的重要指标，可将其分为突缩水头损失系数和突扩水头损失系数两类。试验得到的各试验方案的水头损失系数见表1。

表1 各试验方案的水头损失系数

从表1可以看出，随着齿墩数量的增加局部水头损失系数、突缩水头损失系数逐渐变小，突扩水头损失系数逐渐变大，其中方案A的局部水头损失系数最大，消能效果最好。

消能率η是评价消能工消能效果好坏的最主要指标。消能率计算公式为

式中：hw为4号与14号两断面之间水头损失；H为1号断面总水头。选取4号与14号两断面来计算3种方案在不同流量下的消能率。用K表示管道中速度水头与总水头的比值，即K＝v2/2g，则水头损失H系数ζ＝η/ K，即η＝Kζ。试验得到的消能率随K的变化见图6。

由图6知，在K相同的情况下方案A消能率最大，方案B次之，方案C最小。3种试验方案消能率最高可达69%。齿墩式内消能工主要通过突扩突缩作用，在水体制造强剪切、强紊动来进行消能。随着齿墩数量的增加，齿墩对水体的收缩作用减弱，突缩水头损失降低，但齿墩分散了水流，加强了墩后水体的剪切、紊动，使突扩水头损失增加。从消能的角度看，两者有部分抵消作用。在试验观察范围内，面积收缩比相同的情况下，齿墩数量增加，消能率有所减小。

图6 各试验方案消能率随K的变化

2. 3 脉动压强特性

采用脉动压强系数Cp来反映脉动压强特性，脉动压强系数是脉动压强与速度水头的比值，即

其中式中：σ为脉动压强的均方根，反映压强脉动的剧烈程度；N为采样次数；-p为时均压强；pi为瞬时压强。以x/ D为横坐标，当Q＝27. 00 L/ s时，3种试验方案的脉动压强系数沿程分布见图7。

图7 脉动压强系数沿程分布

3种试验方案的脉动强度系数沿程分布在齿墩段前都比较平稳，最大值出现在距离齿墩进口1.3D～1. 6D处，随后迅速衰减，在距离洞塞进口5. 6D的距离又趋于平稳。其中方案C的脉动压强最小，3种方案脉动压强分别为0. 7、0. 78及0. 49倍的流速水头。

2. 4 脉动流速特性

采用紊动强度Tu来反映脉动流速特性，紊动强度为其中

u′＝ui- -u式中：v为时均特征流速；σ0为脉动流速的均方根；u′为脉动流速；ui为瞬时流速，-u为时均流速。以x/ D为横坐标，在流量Q＝27. 00 L/ s下，各试验方案y轴方向距管道底部0. 2D处紊动强度沿程分布见图8。

图8 3种试验方案紊动强度沿程分布

从图8可看出，3种试验方案紊动强度从齿墩进口处开始增强，均在1. 5D处达到最大值，随后开始减小，各方案均在7D以后恢复平稳，其中方案A紊动强度最大。随着齿墩数量的增加，紊动强度逐渐减小。

3 结 论

a.齿墩式内消能工的过流能力几乎不受雷诺数的影响，与齿墩数量有关，齿墩数量越多，过流能力越强。

b.在面积收缩比一定的情况下，随着齿墩数量的增加，总局部水头损失有所减小，其中突缩水头损失随着齿墩数量增加而减小，但突扩水头损失增加，消能率相应降低。在试验测量范围内，方案A消能效果最好，其消能率最高可达69%。

c.紊动强度、脉动压强沿程分布规律大体相同，都在齿墩段前比较平稳，从齿墩段进口开始增加，达到各自峰值后迅速减小，在距进口一定距离逐渐趋于平稳。3种试验方案的紊动强度在1. 5D处达到最大值，在距进口7D后逐渐趋于平稳；各试验方案的脉动压强在距离齿墩进口1. 3D～1. 6D处达到最大值，在距离洞塞进口5. 6D后趋于平稳。其中紊动强度随着齿墩数量的增加有明显的降低，方案A紊动强度最大；脉动压强最大的是方案B。

参考文献：

[ 1 ]何宁，赵振兴.孔板消能问题数值研究[J].水动力学研究与进展（A辑），2005，24（3）：358-363.（HE Ning，ZHAO Zhenxing. Numerical research on orifice energy dissipation [J]. Chinese Journal of Hydrodynamics，2005，24（3）：358-363.（in Chinese））

[ 2 ]艾万政.孔板（洞塞）消能研究综述[J].中国农村水利水电，2009（6）：129-132.（AI Wanzheng. An overview of research on orifice（plug）energy dissipassion [J]. China Rural Water and Hydropower，2009（6）：129-132.（in Chinese））

[ 3 ]张先起.高坝坝内旋流式竖井加洞塞组合消能研究[D].成都：四川大学，2002.

[ 4 ]田忠，许唯临，刘善均，等.组合式洞塞内消能工的数值分析[J].水利水电科技进展，2005，25（6）：8-10. （TIAN Zhong，XU Weilin，LIU Shanjun，et al. Numerical calculation of combined plug energy dissipator [ J ]. Advances in Science and Technology of Water Resources，2005，25（6）：8-10.（in Chinese））

[ 5 ]田忠.洞塞式内流消能工的水力特性研究[D].成都：四川大学，2006.

[ 6 ]尹则高，拾兵，赵林，等.洞塞式消能工的数值模拟[J].水科学进展，2008，19（1）：89-93.（YI Zegao，SHI Bing，ZHAO Lin，et al. Numerical simulation of plug energy dissipater flow[J]. Advances in Water Science，2008，19 （1）：89-93.（in Chinese））

[ 7 ]余挺，田忠，王韦，等.洞塞消能工的脉动压力分析[J].四川大学学报（工程科学版），2010，42（3）：15-18.（YU Ting，TIAN Zhong，WANG Wei，et al. Investigation of fluctuating pressure for plug dissipaters [ J]. Journal of Sichuan University（Engineering Science Edition），2010，42（3）：15-18.（in Chinese））

[ 8 ]贺益英，杨帆.洞塞消能工在火电核电厂排水口消能消泡中的应用[J].水利学报，2008，39（8）：976-981.（HE Yiying，YANG Fan. Application of plug energy dissipater to elimination of bubbles in cooling water occurred to the outlet of power plants [ J ]. Journal of Hydraulic Engineering，2008，39（8）：976-981.（in Chinese））

[ 9 ]张建民，许唯临，刘善均，等.突扩突缩式内流消能工的数值模拟研究[J].水利学报，2004，35（12）：27-33. （ZHANG Jianmin，XU Weilin，LIU Shanjun，et al. Numerical simulation of turbulent flow in throat type energy dissipators[J]. Journal of Hydraulic Engineering，2004，35（12）：27-33.（in Chinese））

[10] QU Jingxue，XU Weilin，YANG Yongquan，et al. Numerical simulation of flow through orifice energy dissipator in Xiaolangdi flood-discharge tunnel [ J ]. Hydrodynamics，2000，12（3）：41-46.

[11] RESSELL S O，BALL J B. Sudden-enlargement energy disspator for Mica dam [J]. Journal of the Hydraulics Division，ASCE，1967，93（4）：41-56.

[12]张婷，田淳，李永业，等.齿墩状内消能工的消能及压力特性[J].排灌机械工程学报，2014，32（2）：136-139. （ZHANG Ting，TIAN Chun，LI Yongye，et al. Characteristics of energy dissipation and pressure within inner energy dissipaters of tooth block [ J ]. Journal Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2014，32 （2）：136-139.（in Chinese））

[13]尤志强，郝瑞霞，张婷.有压管道齿墩型内消能工水力特性试验研究[J].水电能源科学，2013，31（10）：83-85.（YOU Zhiqiang，HAO Ruixia，ZHANG Ting. Experimental study on hydraulic characteristics of tooth block dissipator in penstock [ J]. Water Resources and Power，2013，31（10）：83-85.（in Chinese））

Experimental study on influence of number of tooth blocks on energy dissipation efficiency of tooth block energy dissipater/ /

ZHANG Ze，TIAN Chun，ZHANG Ting（College of Water Resources Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Abstract：In order to reduce the influence of a plug energy dissipater on the conveyance capability，a tooth block energy dissipater was investigated through physical modeling experiments. Through the testing of three schemes with different numbers of tooth blocks and the same area contraction ratio of 0. 375，the conveyance capacity，local head loss coefficient，energy dissipation effect，turbulence intensity，and characteristics of fluctuating pressure were analyzed. The results show that the number of tooth blocks has a certain effect on the energy dissipation effect，and，in the experimental range，with the increase of the number of tooth blocks，the conveyance capacity increases，the local head loss coefficient decreases，and the energy dissipation efficiency declines. The maximum turbulence intensity occurs 1. 5 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block，and then become stable further than 7 times the tunnel diameter away. The maximum fluctuating pressure occurs 1. 3 to 1. 6 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block，then sharply decreases，and finally become stable 5. 6 times the tunnel diameter away from the inlet of the tooth block.

Key words：tooth block energy dissipater；conveyance capacity；energy dissipation efficiency；local head loss coefficient；turbulence intensity

收稿日期：（2014 10 21 编辑：熊水斌）

通信作者；田淳（1963—），男，副教授，硕士，主要从事水力学与河流动力学研究。E-mail：tianchun_ty@163. com

作者简介：张泽（1990—），男，硕士研究生，主要从事水力学与河流动力学研究。E-mail：15110363727@163. com

基金项目：山西省自然科学基金（2013011037-4）

中图分类号：TV653

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0040 04