二级齿墩过流能力及消能特性分析

2018-03-29张杨

水利技术监督 2018年2期

张杨

(凌源市水利建筑勘测设计院，辽宁凌源 122500)

能源短缺问题是人类面临的巨大挑战之一，水电作为一种清洁型能源，不仅可以缓解能源压力，并且可以推动经济可持续发展[1]。高坝水电站中高坝泄洪、高水头容易导致河床冲刷、坝基破坏，严重威胁坝身安全。内消能工[2]通过人为对水体制造紊动，能够达到良好的消能效果。消能是高坝建设中无法避免的水力学问题，设计科学合理的消能方式对于坝基、坝身安全具有十分重要的意义。因此，建立一种科学合理的内消能工方式对于高坝安全泄流具有十分重要的意义。与传统的外部消能相比，内消能工由于具有衔接平稳、消能效果更佳和适应范围广等优点被应用于高坝泄流等工程，有关学者就相关内容进行了大量研究。曹民雄等人[3]研究了同轴反向涡流式、竖井涡流式与单向涡流式的内消能工的水力特性，阐述了水流脉动能量的产生、输送与损耗等问题。丁天明[4]等人根据试验模拟了洞塞消能工的消能特性，得到了能量损失与损失系数的主要影响因素。陈剑等[5]通过全面分析泄洪洞中洞塞的空化特性、水流压强、布置形式、尺寸及相互间的比例等，表明洞塞内消能工是一种可行性强、消能率高与体型简单的消能方式。本文介绍了流量系数与消能率计算公式的推算过程，并根据二级齿墩试验装置进行过流能力与消能特性分析，分别以流量系数和消能率作为指标，研究了不同齿墩间距和不同齿墩旋转角对过流能力以及消能特性的影响，为类似工程建设提供了参考依据。

1 过流能力与消能特性相关理论

1.1 流量系数

流量系数μc可以反映有压管道中过流能力的大小[6]。依据能量方程进行推算，首先确定起始断面与结束断面，然后以管道中心线为基准面，则X号断面与2号断面能量方程为：

(1)

一定流量范围内，可近似认为结束断面为渐变流断面[7]。取Z2=ZX=0，υ2=υX，α2=αX，hw2-X表示断面2号至X号的水头损失，则式(1)推算为：

(2)

hw2-X包括沿程水头损失与局部水头损失，即：

(3)

由式(2)与式(3)得到流量系数计算公式：

(4)

式中，Q—管道流量,m3/s；g—重力加速度,m/s2；A—管道中水流的横断面积,m2。

1.2 消能率

消能率作为消能评判的一个最重要指标，其大小根据水流流经消能设施前后的能量变化情况来确定[8- 9]。取2号断面至X断面作为计算段面，根据式(2)得到消能率公式：

表1 不同方案的流量系数

(5)

式中，η—消能率；H—2号断面的总水头,m；hw2-X—断面2号至X号的水头损失,m。

2 二级齿墩过流能力及消能特性分析

试验装置如图1，装置由恒定水位的水箱、阀门、法兰、有机玻璃管和流量计等组成[10]。有机玻璃管长350.0cm，直径15.0cm，通过有机玻璃管能够清晰地观察到水体流态。

图1 二级齿墩试验装置示意图

2.1 过流能力分析

二级齿墩的过流能力根据流量系数进行分析，流量系数分别与局部水头损失系数和沿程水头损失系数相关。雷诺数Re作为液体流动特性的一个重要参数，体现了管道中液体的不同流态，其大小通过惯性力与黏滞力的比值进行表示，即lRe=vD/υ(υ为运动粘滞系数，vl为断面平均流速)。试验测试中管道流量为9.0l/s～42.0l/s，雷诺数最小值为0.6×105，过程中水流均处于紊流状态，水流的沿程阻力系数伴随雷诺数的改变而变化。本文试验测试了不同齿墩间距、不同齿墩旋转角对过流能力的影响，其大小通过流量系数体现，不同方案的流量系数见表1。

由表1可知，二级齿墩内消能工流量系数变化范围为0.37～0.47，当齿墩间距较小时，流量系数随着旋转角度的增大而大幅度降低；当齿墩间距变大时，流量系数随着旋转角度的增大而无明显改变，并且流量系数下降幅度呈不断减小的趋势。当齿墩间距不变时，流量系数随着Re的增加呈先增大后平缓的趋势，Re大于1.8×105时，流量系数基本不受Re的影响，这是由于Re较小时，水流处于紊流过渡区，Re对水头损失具有一定的影响，而随着Re的不断增大，流量系数主要由齿墩布置和几何尺寸等因素决定。为了进一步分析二级齿墩间距对过流能力的影响，以齿墩间距为横坐标，各方案流量系数平均值为纵坐标作图，得到图2。

由图2可知，流量系数随着齿墩间距的增加呈现整体下降的趋势，当齿墩间距大于80cm时，流量系数趋于不变。通过对比不同旋转角度下的流量系数发现，流量系数随着旋转角的增加呈现整体降低的趋势，与无旋转相比，旋转15°平均降低0.53%，旋转30°平均降低1.47%。

表2 不同方案的消能率

图2 流量系数随着齿墩间距的变化规律

2.2 消能特性分析

本文试验还测试了不同齿墩间距、不同齿墩相对旋转角对消能特性的影响，其消能率见表2。

由表2可知，消能率随Re呈指数型增长趋势。Re小于1.8×105时，消能率几乎不受旋转角影响；而Re大于1.8×105，齿墩间距小于100cm时，二级齿墩消能出现相互影响，并且总体上消能率随着旋转角的增加而增大，旋转角对消能率的影响随着齿墩间距的增加逐渐减弱，齿墩间距高于100cm时，旋转角对消能率的影响忽略不计。试验范围内，齿墩间距40cm，旋转角30°时，消能效果最好。

为了进一步分析二级齿墩间距对消能率的影响，以齿墩间距为横坐标，最大消能率为纵坐标作图，得到图3。