水跃掺气池的掺气特性

吴建华,韩东旭,周 宇（河海大学水利水电学院,江苏南京 210098）



水跃掺气池的掺气特性

吴建华,韩东旭,周 宇
（河海大学水利水电学院,江苏南京 210098）

摘要:针对大单宽流量下传统阶梯溢洪道因流动水深增加,掺气不足,导致极易发生空蚀破坏和消能率降低的问题,提出了一种通过水跃掺气池对阶梯溢洪道流动提供掺气的水跃掺气阶梯溢洪道,采用物理模型试验方法,详细研究了水跃掺气池的掺气特性,包括来流条件、掺气池长度、掺气池尾坎高度、水跃流态对掺气特性的影响。结果表明:在现在的研究范围内,在掺气池内和掺气池尾坎后的区域,无论是底板还是边墙淹没水跃流态都有较好的掺气效果;前述流动参数和结构参数通过影响水跃流态影响掺气效果,在利用水跃掺气池对阶梯溢洪道水流掺气时,流态的控制是重要的。

关键词:水跃掺气池;阶梯溢洪道;掺气特性;流态;模型试验

阶梯溢洪道因结构简单且消能率高而应用广泛[1-2]。然而,工程实践表明,当单宽流量大于50～60m3/（s·m）时,由于水深大幅增加,掺气起始断面下移,致使流动掺气不足,溢洪道的阶梯面极易发生空蚀破坏,并且消能率降低[3-5]。

阶梯溢洪道上的流动通常有3种流态,随着流量的增加,依次表现为:跌落流动（nappe flow）、过渡流动（transition flow）和滑行流动（skimming flow）[6]。在大单宽流量（大于60m3/（s·m））下,一般呈滑行流动流态。

为了减轻大单宽流量下流动掺气不足引起的空蚀破坏,提高消能效果,近十年来在阶梯溢洪道流动掺气方面开展了一系列的研究工作。主要包括3个方面:①在首级阶梯之前,利用折流器形式的前置掺气坎对流动进行预掺气[3-4,7-8]；②在首级阶梯的立面加设辅助装置,对流动掺气[9-10]；③在首级阶梯之前,加设挑流装置,利用掺气池的漩涡滚动使流动掺气,为阶梯溢洪道提供掺气水流[5,11]。前2种掺气方法对流动有明显的掺气效果,掺气起始断面有一定的上移；但是,在大单宽流量下,前级阶梯上的流动仍然存在一定的掺气盲区。第3种掺气池掺气方法,可以有效地减少前2种方法的掺气盲区,从阶梯溢洪道第1级阶梯开始,就可以获得充分的掺气水流,但是,掺气池结构和水流流态相对复杂。

笔者提出了一种水跃掺气阶梯溢洪道结构（图1）,利用水跃掺气为阶梯溢洪道提供掺气水流。水跃掺气阶梯溢洪道包括进流段、掺气池和阶梯溢洪道3个部分,在进流段和掺气池,通过水跃漩滚使流动掺气,对后续阶梯溢洪道提供掺气水流。通过物理模型试验,重点研究这种水跃掺气池的掺气特性,包括不同来流条件（单宽流量、弗劳德数）、不同掺气池长度和不同掺气池尾坎高度对掺气池内水流和出池水流掺气特性的影响。

图1 水跃掺气阶梯溢洪道结构原理示意图

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

试验在河海大学高速水流实验室进行。试验装置包括地下水库、水泵电机、阀门、进水管道、水平矩形水槽、出水管道、电子流量计和水跃掺气池。模型由有机玻璃制作。水槽长25.00m,宽0.50m,高0.60m。试验最大来流流量QM=115.00×10-3m3/s,单宽流量qM=230.00×10-3m3/（s·m）。按照重力相似准则设定模型比尺为1∶70,则原型最大流量QP=4714.58m3/s,最大单宽流量qP=134.70m3/（s·m）。

图2是水跃掺气池模型试验流动平面示意图,试验模型由WES型溢流堰、水跃掺气池和水平出池段组成。坐标系原点位于WES型溢流堰的最低点位置,x轴沿流动方向水平布置。图中P为溢流堰高,P=0.36m,lP为掺气池长度,sP为掺气池尾坎高度,H为堰上水头,h0和v0分别是溢流堰下最低点位置处的流动水深和平均流速。水流在高度为H的水头作用下,通过溢流堰进入水跃掺气池,在水跃漩滚的作用下,通过表面掺气为出池流动提供掺气水流。在本文的研究中,尽可能减薄水跃掺气池尾坎的厚度,不考虑尾坎厚度对掺气特性的影响。

图2 流动平面示意图

1.2 试验方法

表1是掺气池的结构参数,包括2个系列5个方案。方案M21、M22和M23研究不同掺气池长度的影响,方案M23、M13和M33研究不同掺气池尾坎高度的影响。试验在5种不同流量下进行,Fr=4.50～1.88,相应原型的单宽流量qP有5级,分别为60.00m3/（s·m）、90.00m3/（s·m）、110.00m3/（s·m）、120.20m3/（s·m）和134.70m3/（s·m）。

表1 掺气池结构参数　m

采用CQ-2005型掺气浓度仪,测量不同来流条件、不同结构参数时,掺气池内和掺气池后底板及边墙的掺气浓度。对不同的掺气池结构,以掺气池尾坎为基准,在掺气池内底板和边墙上各布置4个掺气测点,在掺气池后的底板和边墙各布置5个掺气测点,间距均为0.10m,底板上测点位于水槽的中线位置,边墙上的测点距底部高度为0.05m。在测量掺气浓度时,分别记录5次,取其平均值作为该测点的掺气浓度值。

2 试验结果与讨论

2.1 流态描述

水跃区由于强烈紊动和漩滚,具有良好的消能和掺气特点[12-13]。图3给出了在不同来流弗劳德数下水跃掺气池流态变化的典型情况（以方案M23为例）。随着水头H的增加,Fr从4.33逐步减小到1.96,单宽流量qP从60.00m3/（s·m）增加到134.70m3/（s·m）,流态呈淹没水跃、临界水跃、远驱水跃和波型流动变化。

当Fr=4.33时,掺气池内呈淹没水跃（图3 （a））,此时水深h0较小,除溢流堰堰脚局部位置,水跃漩滚掺气基本可以达到掺气池的底部,水体呈白色,掺气池内和池后掺气效果较好。

当Fr=3.34时,跃首大致位于收缩断面,呈临界水跃（图3（b））,此时水深h0略有增加,在水跃跃首底部局部区域,主流下潜至池底,出现清水底层；水跃漩滚区域向后移动。

当Fr=2.34时,出现远驱水跃（图3（c））,水跃漩滚区越过掺气池尾坎向下游推移,主要掺气水流发生在尾坎之后。

当Fr=2.10时,出现波型流动（wave-type flow）[14]（图3（d））,掺气池内基本呈清水状态（水体透明）,水跃区越过尾坎,在强烈掺气的同时,伴有波浪的出现。当Fr=1.96时,流态仍然是波型流动,水跃区略向下游移动（图3（e）,其他特征基本与Fr=2.10的情况类似。

图3 掺气池水跃流态（方案M23）

2.2 来流Fr对掺气浓度的影响

从图4（a）可以看到,随着水头的增加,来流Fr降低,流态由淹没水跃逐渐发展为波型流动（图3）,底板各个位置处的掺气浓度逐渐降低。总体来说,掺气池尾坎后的掺气浓度大于池内浓度,在某一位置达到较大值。就不同流态的掺气效果而言,相比其他流态,淹没水跃有较好的掺气效果。当Fr≤2.34,出现明显的远驱水跃或波型流动,水跃区向下游发展,池内底板掺气较弱,但尾坎后的流动中仍有良好的掺气效果。

图4 不同Fr时掺气浓度沿程分布（方案M23）

就边墙掺气而言（图4（b））,与底板掺气类似,随着水头的增加,来流Fr降低,各个位置处的掺气浓度逐渐降低。然而,在掺气池内,当Fr=4.33和3.44时,由于边墙掺气测点的位置均处于水跃的漩滚区（测点距底部0.05m）,掺气强烈,掺气浓度较高。在尾坎下游,各点的掺气浓度大致与底板掺气浓度相当。

由图3和图4可知,相比其他流态,淹没水跃流态下,无论是底板还是边墙,掺气池内和尾坎后均有较好的掺气效果。图5给出了方案M33在不同来流Fr下的流态,与图3中方案M23相比,方案M33的尾坎高度由sP=0.065m增加到0.080m,使得在各作用水头下,均能形成淹没水跃的流态。图6是不同Fr时掺气池内和尾坎后底板及边墙的掺气浓度沿程分布。总体而言,由于流动处于淹没水跃流态,即使在Fr≤2.42时,掺气池内底板上都有良好的掺气效果；在尾坎后,掺气浓度也有明显的增加。

2.3 掺气池长度对掺气浓度的影响

设置水跃掺气池的目的是希望为其后的阶梯溢洪道提供良好的掺气水流,以提高阶梯溢洪道在大单宽流量下的消能率和避免空蚀破坏,因此,掺气池尾坎后流动的掺气特性是研究关注的重要方面。图7给出了不同掺气池长度时掺气池尾坎后底板和边墙掺气浓度的变化（qP=110.00m3/（s·m））。可以看到,无论是底板还是边墙,随着距离X的增加,掺气浓度逐步增大,在X=0.56～0.78时,掺气浓度达到最大值。此外,在掺气池长度lP=0.5～0.7m的范围内,在qP=110.00m3/（s·m）时,试验观测到流动属于淹没水跃或远驱水跃,但掺气池尾坎后流动在底板和边墙上仍然具有较好的掺气效果。

图5 掺气池水跃流态（方案M33）

同时也注意到,随着掺气池长度的增加,底板同一位置处的掺气浓度略有增加；而在边墙处,较短的掺气池有略高一点的掺气浓度。尾坎后底板和边墙的掺气浓度特性与掺气池的水跃流态有密切的关系。

2.4 尾坎高度对掺气浓度的影响

图8给出了掺气池尾坎后底板和边墙处掺气浓度随尾坎高度的变化（qP=110.00m3/（s·m））。可以看到,在lP=0.7m的条件下,增加尾坎高度无论对于底板还是对于边墙,都可以有效地增大尾坎后流动的掺气浓度,从流态照片（图5）也可以看到,此时,不仅在池内有良好的淹没水跃流态,尾坎后也有良好的掺气效果。

图6 不同Fr时掺气浓度沿程分布（方案M33）

图7 掺气浓度随掺气池长度的变化（q=110.00m3/（s·m））

3 结 论

为拓宽阶梯溢洪道的单宽流量,同时使阶梯溢洪道既有较高的消能率,又能有效避免空蚀破坏,提出了一种通过前置水跃掺气池为流动提供掺气的水跃掺气阶梯溢洪道结构形式。

结果表明,在本文的研究范围内,在大单宽流量条件下（qP≥110.00m3/（s·m））,无论在掺气池内还是在尾坎后,无论是底板还是边墙,相比其他流态,淹没水跃流态均具有较好的掺气效果。掺气池长度、尾坎高度以及来流条件对水跃掺气池的流态有决定性的作用,合理的水跃掺气池流态对阶梯溢洪道上流动的掺气是重要的。

图8 掺气浓度随尾坎高度的变化（q=110.00m3/（s·m））

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中图分类号:TV135.2+9

文献标志码:A

文章编号:1006- 7647（2016）03- 0031- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.007

基金项目:国家自然科学基金（51479057）

作者简介:吴建华（1958—）,男,教授,博士,主要从事水工水力学研究。E-mail:jhwu@ hhu.edu.cn

收稿日期:（2015 10- 12 编辑:骆超）

Air-entrainment characteristics of hydraulic jump aeration basin

WU Jianhua, HAN Dongxu, ZHOU Yu（College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China）

Abstract:With a focus on the problems of cavitation damage and the decrease of the energy dissipation rate caused by increasing flow depth and decreasing aeration for traditional stepped spillways under a large discharge rate, a hydraulic jump-aeration stepped spillway was developed, producing aerated flow on the stepped spillways bymeans of hydraulic jump aeration.Through a physicalmodel test, the air-entrainment characteristics of the hydraulic jump aeration basin were studied, including the effects of the approach flow condition, the length and end sill height of the aeration basin, and hydraulic jump flow regime on air entrainment characteristics.The results demonstrate that the submerged jump shows a better air entrainment effect for the bottom and walls within the aeration basin and the region behind the end sill, and the hydraulic andgeometric parameters affect the hydraulic jump flow regime and then affect the air concentration.It is crucial to present a suitable flow regime for air entrainment into the flow on the stepped spillway using the hydraulic jump aeration basin.

Key words:hydraulic jump aeration basin；stepped spillway；air-entrainment characteristics；flow regime；model test