突扩式跌坎消力池掺气特性试验

张红梅，刘经强，于新雨，高 媛，李树宁

(山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

传统底流消能工多应用于中小型工程，在高坝泄流消能中应用很少。突扩式跌坎消力池作为一种应用于高水头、大单宽流量工程的新型消能工，既对生态环境比较友好，又能显著减低消力池内部水力学指标，在国内外很多工程中得到了很好的应用[1-2]。突扩式跌坎消力池由于侧向突扩的存在，使得入射水流进入消力池后，流场几何形状发生突变，水流失去了两侧固体边壁的约束，在主流两侧形成了立轴漩涡，属于典型的三元混合流态[3]，消力池内部水流结构、压强分布等较无突扩跌坎消力池更加复杂[4-5]。近年来不少学者对突扩式跌坎消力池进行了研究，如黄海艳等[6-9]基于水力学模型试验，分析研究了突扩比、跌坎深度、入池水流弗劳德数等因素对消力池内底板及边墙时均压强、临底流速及近墙流速的影响；王海军等[10]基于模型试验研究了消力池突扩侧立轴漩涡的运动范围及运动形式；金瑾等[11-12]通过数值模拟方法模拟了多股跌扩型底流消能工涡旋分布情况；李树宁等[13-16]通过模型试验得出了消力池底板最大临底流速、最大动水压强、最大上举力的经验估算公式；张文静[17]基于模型试验研究了突扩比、入池能量、尾坎高度、池长对突扩式跌坎消力池底板临底流速和动水压强的影响。

由于入射水流与消力池内水体形成紊动剧烈的剪切面，导致大量空气被卷吸入水中形成水气两相流，水流紊流流场中含有气泡时，原来的紊流结构势必会发生变化，影响消力池内的水力学指标，国内外专家学者基于水工模型试验对工程上常见的消能工如水垫塘、消力池掺气现象进行了研究。郭子中等[18]研究了二元混合流掺气特性，得到了其掺气浓度分布规律；董志勇等[5-19]研究了掺气对射流冲击水垫塘底部及坑底压强影响的机理；张锦等[20]通过水力学模型试验，得到入池流量、跌坎深度以及水流入射角度对壁射流区掺气浓度沿程分布的影响规律；Chanson等[21-22]研究了水跃中的掺气和紊动特性，给出了掺气的脉动频率以及气泡输移规律；吴建华等[23]研究了水跃掺气池的掺气特性，得出了其影响因素；辜晋德等[24]通过1∶50和1∶100两个不同比尺模型研究了挑流水垫塘的掺气比尺效应。以上研究均基于二元流动，而关于突扩式跌坎消力池三元流动的掺气研究成果还比较少，基于此，本文通过模型试验，对不同流能比及突扩比的突扩式跌坎消力池掺气特性进行了初步研究，分析了其掺气浓度的分布规律，旨在丰富突扩式跌坎消力池研究成果，为其安全稳定运行提供理论依据。

1 试验装置与测点布置

试验在山东农业大学水工实验室进行。整个试验系统采用循环供水，试验模型主要由高位水箱、模型试验区、尾水池、回水渠和地下水库等部分组成，图1为试验模型示意图，泄槽段水平长416 cm，高差为105 cm，宽度为50 cm，底坡为14°；消力池段长度为120 cm，跌坎高为6 cm，尾坎高为18 cm，消力池下游出水渠段长度为200 cm，底坡为1/100。试验中采用了50 cm、65 cm、80 cm 3个不同的消力池宽度，对应3个不同突扩比(消力池底板宽度与泄槽宽度的比值，用β表示)，即1.0、1.3和1.6。图2为消力池底板测点布置(以β=1.3为例)，以消力池跌坎桩号为原点，以沿池长顺水流方向为x方向，沿池宽垂直水流方向为y方向，沿消力池底板1/2中线、1/4中线、边墙线顺水流方向每间隔10 cm布置一个掺气浓度传感器，共布置30个，用于测量无突扩跌坎消力池(β=1.0)及突扩式跌坎消力池(β=1.3、1.6)底板的掺气浓度。

图1 试验模型(单位：cm)

图2 消力池底板掺气浓度测点布置(单位：cm)

试验在3个不同来流条件下进行，流量测量采用中国开封仪表有限公司生产的E-mag C型电磁流量计，通过开关闸阀调节流量，采用电磁流量计读取流量值。根据实际的试验条件，用反映水力条件的无量纲数——流能比k(k=q/g0.5h1.5，其中q为单宽流量，h为上下游水位差)来进行3个工况的测量,其中k分别为0.014、0.018和0.021，对应出水渠末端水位分别为 4.4 cm、5.0 cm和5.7 cm。掺气浓度采用中国水利水电科学研究院最新研制的DDCQY-2016M型电导掺气仪与DJ800多功能采集仪组合使用进行量测，采样频率为100 Hz,采样历时82 s，掺气浓度误差小于0.3%。

2 试验结果与分析

2.1 掺气水流流态

图3为同等水力条件下(k=0.018)，无突扩和突扩式跌坎消力池内典型的掺气水流流态。从图3可以看出，两种体型的消力池掺气水流典型流态为水跃流和射流叠加而成的混合流，且水跃流叠加在射流之上，跃首被射流分裂成两部分；整个消力池主要分为气泡跃移区、气泡悬移区及清水区3个区域，且体型不同，区域范围大小也有所不同。无突扩跌坎消力池(β=1.0)距离跃首约0.42l(l为消力池长度)处有大量水团跃出水面，整个水跃表面为气泡跃移区，跃尾为清水区，中间部分是气泡悬移区，跃移区气泡比较密集、连续，以泡沫层形式存在，相比较而言气泡悬移区气泡分布比较均匀、稀疏，且一直延续到消力池底板；突扩式跌坎消力池(β=1.3)气泡跃移区在泄槽延长线范围内，长度较无突扩跌坎消力池有所减小，气泡悬移区长度有所增加，气泡分布更加密集，临底长度有所减小，只在冲击区有临底现象，突扩处为清水回流区，携带部分气泡。这与消力池内掺气水流特性与水流内部流动密切相关。跌坎消力池的典型流态是射流与水跃流的混合流，高速射流在空气扩散中掺入大量空气，形成高浓度的水气二相流，且在水流入水处掺入大量空气，入水过程中与水跃之间强烈剪切、混掺、扩散，跃首被射流分裂成两部分。表面水波在强烈紊动、破碎、飞溅中卷入大量空气，同时由于水跃旋涡卷吸、输运了大量的气泡，使得气泡跃移区气泡大量连续密集存在，掺气浓度较大。掺入的空气一部分在紊动作用下卷入旋滚区形成悬移区，一部分随水流带走，直到水跃下游溢出水面形成清水区。由于突扩的存在，进入消力池的射流失去了两侧固体边壁的直接约束，在突扩区域内形成了射流侧的扩散与回流，耗散掉部分进入消力池的能量，使得入池射流与水跃之间剪切、紊动减小，因此气泡跃移区浓度较低，悬移区范围较大，清水区较小。

图3 掺气水流流态

2.2 消力池底板掺气浓度分布特性

图4和图5分别给出了无突扩和突扩式跌坎消力池底板掺气浓度分布情况(以相对测点位置x/l为横坐标，其中x为测点与消力池跌坎之间的距离)。从图4可以看出，在同一流能比(k=0.018)条件下，无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰形曲线分布，沿程先迅速衰减后趋于平稳，最大值出现在跃首位置，且1/4中线处、1/2中线处及靠近边墙处掺气浓度分布比较均匀，1/2中线处略大。由图5可以看出，在同一流能比(k=0.018)条件下，突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰型曲线分布，沿程先增大到一个最大值再逐渐衰减最后趋于平稳，最大值出现在冲击点附近，且1/4中线处掺气浓度最大，1/2中线处次之，靠近边墙处最小，这是由各自的掺气水流流态决定的。无突扩跌坎消力池水流分为3个区域，水跃表面是气泡跃移区，掺气浓度最大，跃尾是清水区，中间是气泡悬移区，掺气浓度居中；对于消力池底板，主要是气泡跃移区和清水区，高速掺气射流入池到达底板后，底部强迫掺气增多，掺气分别向壁射流区扩散，同时跌坎下面存在底部旋滚区，卷入大量空气，因此消力池底板首端掺气浓度最大，随着掺气扩散，浓度逐渐衰减，到达跃尾清水区后掺气浓度趋于平稳。突扩式跌坎消力池高速掺气射流入池到达底板后，掺气分别在壁射流区、突扩侧扩散，同时跌坎下底流旋滚携带气泡也向突扩侧扩散，因此消力池底板冲击点掺气浓度最大，后面逐渐衰减至清水区趋于平稳；突扩式跌坎消力池由于突扩的存在，由原来的二元流变成了复杂的三元流动，射流进入消力池，水跃被分成两部分，射流横向扩散叠加主流的卷吸作用，使得射流边界线附近1/4中线处掺气浓度最大，射流中心线处掺气浓度略小，突扩侧为清水回流区，掺气浓度最小。

图4 无突扩跌坎消力池底板掺气浓度分布(β=1.0，k=0.018)

图5 突扩式跌坎消力池底板掺气浓度分布(β=1.3，k=0.018)

2.3 入池能量对消力池底板掺气浓度的影响

图6给出了无突扩和突扩式跌坎消力池底板1/2中线处、1/4中线处及靠近边墙处最大掺气浓度与入池能量的关系，其中入池能量用流能比来表征。从图6可以看出，无突扩和突扩式跌坎消力池底板最大掺气浓度沿程均随着流能比的增大而增大，这是因为入池能量越大，入池射流与周围水体剪切、摩擦作用越大，从水面卷入空气越多，同时到达底板后冲击作用增强，底部强迫掺气也增多。

图6 入池能量对消力池底板掺气浓度的影响

2.4 突扩比对消力池底板掺气浓度的影响

图7给出了突扩比对消力池底板掺气浓度的影响，可知在同一水力条件下，突扩式跌坎消力池底板掺气浓度较无突扩跌坎消力池有显著降低，β=1.3时，消力池底板1/2中线处最大掺气浓度降低了25%～55%，1/4中线处降低了12%左右，靠近边墙处降低了50%左右；β=1.6时，消力池底板1/2中线处最大掺气浓度降低了27%～55%，1/4中线处降低了5%左右，靠近边墙处降低了70%左右。同时发现，掺气浓度并不随着突扩比的增大而单调减小，在消力池底板1/2中线和1/4中线处β=1.6的突扩式跌坎消力池比β=1.3的突扩式跌坎消力池底板掺气浓度大，在靠近边墙处β=1.6的突扩式跌坎消力池比β=1.3的突扩式跌坎消力池底板掺气浓度小。这是由各自的掺气水流流态决定的，突扩式跌坎消力池气泡悬移区长度有所增加，临底长度有所减小，突扩侧为清水回流区，因此底板掺气浓度较无突扩时有显著降低；相同水力条件下，突扩比越大，消力池内相应水垫的深度也越小，高速射流入池后与池内水体产生剪切、混掺作用更强烈，底部强迫掺气强度更大，相应的消力池底板掺气浓度也随之增大，而突扩侧清水回流区越大，气泡溢出水面越多，靠近边墙区掺气浓度相应减小。

图7 突扩比对消力池底板掺气浓度的影响

3 结 论

a.突扩式跌坎消力池掺气水流典型流态为水跃流叠加在射流之上，跃首被射流分裂成两部分，气泡跃移区在泄槽延长线范围内，长度较无突扩跌坎消力池有所减小，气泡悬移区长度有所增加，临底长度有所减小，突扩处为清水回流区，携带部分气泡。

b.无突扩跌坎消力池底板掺气浓度呈降峰形曲线分布，各纵向断面沿程掺气浓度分布均匀；突扩式跌坎消力池底板掺气浓度呈升峰型曲线分布，掺气浓度在消力池底板1/4中线处最大，1/2中线处次之，靠近边墙处最小。

c.随着入池能量的增大，突扩式跌坎消力池底板的掺气浓度也随之增大。

d.同一水力条件下，突扩式跌坎消力池底板掺气浓度较无突扩跌坎消力池有显著降低；掺气浓度并不随着突扩比的增大而单调减小，在消力池底板1/2中线和1/4中线处β=1.6的突扩式跌坎消力池比β=1.3的突扩式跌坎消力池底板掺气浓度大，在靠近边墙处β=1.6的突扩式跌坎消力池比β=1.3的突扩式跌坎消力池底板掺气浓度小。