中隔墩对WES堰流量系数影响研究

2020-06-18向迁卿

中国农村水利水电 2020年2期

向迁卿，田忠

(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065)

0 引言

WES溢流堰是水利水电工程中常见的堰型，其泄流能力成了众多学者的研究重点。汝树勋[1]探讨了流量系数随上下游堰高变化规律；张绍芳[2]提出了高、低实用堰流量系数的计算方法；邵卫云等[3]结合拱坝模型，探究了小桥墩，出口堰宽的变化对WES堰流量系数的影响；袁群等[4]对WES 型复合堰，按堰型分类给出了设计水位下流量系数的拟合公式；童海鸿等[5]提出了折线形实用堰的界限范围和自由泄流时流量系数的计算公式。

在WES溢流堰上设置中隔墩后，因中隔墩的侧收缩作用，其流量系数会有所减小，大多数学者分析流量系数时，没有将侧收缩系数从流量系数中分离开，而当堰顶过流宽度小于上游渠道宽度，或堰顶设有闸墩时，会引起水流的侧向收缩，过水能力降低。在《溢洪道设计规范DL/T 5166-2002》[6]中，对开敞式实用堰，高堰侧收缩系数为0.900～0.970，低堰取为0.800～0.900。此法范围过大，对具体情况无明确区分。《水力计算手册》[7]提到侧收缩系数的计算方法：

(1)

式中：N为侧收缩边数，N=2n(n为闸孔数目)当N取大值时，结果为负数，明显不适用。

另外，张绍芳[8]也提出侧收缩系数的计算方法，对于墩头前伸的侧收缩系数：

(2)

式中：Kp为中隔墩收缩系数；Ka为边墩侧收缩系数。此方法中隔墩系数Kp对不同情况无区分，均取0.005，为一定值。

针对前人研究存在的不足，作者进行了系列试验，在WES堰顶设置半圆形中隔墩，并对不同水头下的流量系数进行分析，进而得出中隔墩对WES堰流量系数的影响规律。

1 研究方法

1.1 试验布置及方法

试验装置如图1所示，图中长度单位为m，以堰顶为坐标原点，顺水流方向为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向，顺水流方向的左岸为z轴正向。上游水库长1.200 m，宽0.740 m，高0.850 m。WES堰面曲线方程为x1.85=2×0.2560.85y，设计水头为Hd=0.256 m，上游堰面为铅直面，堰高0.620 m(P1/Hd=2.422>1.33，试验溢流堰为高堰)，溢流净宽0.136 m，下部直线段公式为y=-0.137x+0.819，堰后水槽长4.400 m，与溢流堰等宽，溢流堰下游自由出流，末端设置矩形薄壁堰测量流量(P2/Hd=0.625)，后接回水箱，自由出流。

库水位采用水位测针测量(精度0.1 mm)，测针距离溢流堰0.600 m，堰前流速采用LGY-Ⅱ型旋浆流速仪测量(精度1 cm/s)；流量采用矩形薄壁堰测量，计算公式采用《水工建筑物与堰槽测流规范SL 537-2011》[9]中的矩形薄壁堰流量计算公式。

在试验进行之前，采用了堰槽测流法与称重法对下泄流量对比测量，对3个不同堰上水头，皆用2种方法进行3次测量，所得流量数值差异均在0.5%以内，故本试验结果具有可重复性。

作者进行了4种相同溢流净宽的体型试验，分别是：①堰顶不设中隔墩，在上游水库溢流出口前连接长0.750 m，宽0.136 m引流明渠；②堰顶设中隔墩，半圆形墩头，半径0.026 m，长度0.426 m，墩头伸出WES堰上游0.026 m，上游水库溢流出口前连接长0.750 m，宽0.188 m的引流明渠；③堰顶不设中隔墩，上游水库不加引流明渠；④堰顶设中隔墩，半圆形墩头，半径0.026 m，长度0.426 m，墩头伸出WES堰上游0.026 m，上游水库不加引流明渠。

图1 试验装置图(单位：m)Fig.1 Experimental device profile

试验过程：调节水泵阀门得到不同的库水位，待库水位稳定、测针读数无波动后，记录库水位及下游矩形薄壁堰水头，同时用流速仪测量堰前流速，进而计算出WES溢流堰流量系数。

1.2 数值模拟

数值模拟采用fluent软件，计算范围从上游水库至下游出口，网格数量为20万个，边界条件设为进口：pressure-inlet，出口：pressure-outlet，其他壁面默认为wall。采用标准k-ε方程：

k方程：

ε方程：

根据计算结果，分析紊动能分布图，紊动能耗散率分布图。对不同体型对比，分析设置中隔墩后能量损失的原因。

2 分析与结果

2.1 试验分析与结果

体型①堰顶不设中隔墩，在上游水库溢流出口前连接长0.750 m，宽0.136 m引流明渠；测定了12组不同上游水位的工况，堰上总水头计入堰前行近流速，得到流量系数m1，其值在《水力学》[10]所规定范围内(高堰溢流时，当H0/Hd<1，m<0.502)，与《水工建筑物与堰槽测流规范SL 537-2011》[9]公式所得流量系数ma(不含侧收缩系数)进行比较，从图2可以看出，两者所得值一致性较好。

图2 流量系数与堰上水头和设计水头之比的关系Fig.2 The relation between the discharge coefficient and the ratio of the head of weir to the designed head

体型②堰顶设中隔墩，半圆形墩头，半径0.026 m，长度0.426 m，墩头伸出WES堰上游0.026 m，上游水库溢流出口前连接长0.750 m，宽0.188 m的引流明渠。测定12组不同上游水位的工况，堰上总水头计入堰前行近流速，得到流量系数m2，其值在《水力学》[10]所规定范围内(高堰溢流时，当H0/Hd<1，m<0.502)，与《水工建筑物与堰槽测流规范SL 537-2011》[9]公式所得流量系数mb(含中隔墩侧收缩系数)进行比较，从图2可以看出，两者所得数值一致性较好。故本试验结果是合理的。

将体型①②所得m1，m2相比较，可以看出，上游水库有引流明渠的情况下，堰上水头与设计水头之比与流量系数有明显的线性关系，且设置中隔墩后，流量系数有所减小。回归分析得到，流量系数与堰上水头与设计水头的关系可以表达为：

无中隔墩：

(3)

有中隔墩：

(4)

公式(3)、(4)计算值与试验值的相对误差平均值分别为-0.03%，0.08%，故表达式是合理的。在相同堰上水头时，根据公式将有中隔墩的流量系数比上无中隔墩的流量系数，即可得到相应水头下中隔墩侧收缩系数(表1)，从表1可以看出：在有明渠引流的情况下，只考虑中隔墩作用的侧收缩系数的平均值为0.973。

体型③堰顶不设中隔墩，上游水库不加引流明渠；体型④堰顶设中隔墩，半圆形墩头，半径0.026 m，长度0.426 m，墩头伸出WES堰上游0.026 m，上游水库不加引流明渠。分别测定了20组不同上游水位的工况，堰上水头计入堰前行近流速，得到不同水头的流量系数如图3所示，从图3可以看出，流量系数和堰上水头与设计水头之比有明显的线性关系，且设置中隔墩后，流量系数有所减小。通过回归分析得到，2种体型下的流量系数可分别表示为：

表1 H0/Hd与侧收缩系数ε1关系Tab.1 the relationship between H0/Hd and lateral contraction coefficient ε1

图3 体型③④流量系数与堰上水头和设计水头之比的关系Fig.3 The relation between the discharge coefficient of ③④ and the ratio of the head of weir to the designed head

无中隔墩：

(5)

有中隔墩：

(6)

拟合公式(5)、(6)计算值与试验值的相对误差的平均值为分别为0.03%、0.1%，故表达式是合理的。在相同堰上水头时，根据公式将有中隔墩的流量系数比上无中隔墩的流量系数，即可得到相应的中隔墩侧收缩系数(表2)，从表2可以得到，当水库里没有引流明渠时，只考虑中隔墩影响的侧收缩系数平均值为0.977,这与有引流明渠情况接近。

2.2 数值模拟分析与结果

选取体型①②的试验在堰上水头为0.090 m时的工况，数值模拟计算的下泄流量与试验值的相对误差分别为0.6%、0.5%，故认为计算数模模型具有较高的精度。图4为WES堰的紊动能分布图，其中图4(a)、(b)为WES溢流面的紊动能分布在xoz面的投影；图4(c)、(d)分别为溢流堰x=0.040 m断面的紊动能分布图，图4(e)、(f)为z=0.136 m，z=0.188 m平面的紊动能分布图。从图4中可以看出：在同一水头下，堰顶有中隔墩时，水流的紊动能大14%～219%。