張 澤,田 淳,張 婷(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024)
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齒墩數(shù)量對(duì)齒墩式內(nèi)消能工消能率影響試驗(yàn)
張 澤,田 淳,張 婷
(太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原 030024)
摘要:針對(duì)洞塞式消能工對(duì)消能體型的過流能力有較大影響的缺點(diǎn),為盡可能減小其影響,進(jìn)行了齒墩式內(nèi)消能工物理模型試驗(yàn),設(shè)計(jì)了面積收縮比為0. 375條件下不同齒墩數(shù)量的3種方案來(lái)試驗(yàn)分析齒墩式內(nèi)消能工過流能力、局部水頭損失系數(shù)、消能效果、脈動(dòng)壓強(qiáng)特性及脈動(dòng)流速特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:齒墩數(shù)量對(duì)齒墩式內(nèi)消能工的消能效果起著一定的作用,在試驗(yàn)范圍內(nèi),隨著齒墩數(shù)量的增加,過流能力增強(qiáng),局部水頭損失系數(shù)減小,消能率降低;紊動(dòng)強(qiáng)度在距齒墩段進(jìn)口1. 5D (D為管道內(nèi)徑)處達(dá)到最大,7D后趨于平穩(wěn);脈動(dòng)壓強(qiáng)在距齒墩段進(jìn)口1. 3D~1. 6D達(dá)到最大,然后急劇衰減,在距進(jìn)口5. 6D處趨于平穩(wěn)。
關(guān)鍵詞:齒墩式內(nèi)消能工;過流能力;消能率;局部水頭損失系數(shù);紊動(dòng)強(qiáng)度
內(nèi)消能工是在泄水建筑物內(nèi)部,通過過流斷面的突變或其他工程措施,人為制造大紊動(dòng)的旋滾,使水體部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能,達(dá)到消能目的的消能設(shè)施。內(nèi)消能工主要分為突擴(kuò)突縮式消能工和旋流式消能工兩大類。突擴(kuò)突縮式消能工分為孔板式消能工和洞塞式消能工兩種[1-9]。多級(jí)孔板式消能工已在黃河小浪底水利樞紐工程的泄洪洞中獲得應(yīng)用[10];加拿大的Mica壩[11]在20世紀(jì)60—70年代已成功應(yīng)用了洞塞式消能工。洞塞式消能工主要問題是過流面積較小,制約了過流能力,從而限制了其應(yīng)用。張婷等[12-13]提出了齒墩式內(nèi)消能工并對(duì)齒墩式內(nèi)消能工的水力特性進(jìn)行了初步研究,表明面積收縮比是影響過流能力的重要指標(biāo),但由于齒墩形狀的限制,并不能準(zhǔn)確分析齒墩數(shù)量對(duì)過流能力的影響。本文在前期工作的基礎(chǔ)上,將齒墩底部的平面設(shè)計(jì)為曲面,分析在面積收縮比相同、齒墩數(shù)量不同的情況下,齒墩式內(nèi)消能工的過流能力、消能率、局部水頭損失系數(shù)、脈動(dòng)壓強(qiáng)特性及脈動(dòng)流速特性。
試驗(yàn)裝置由水箱、管路、閥門等組成,水箱由供水系統(tǒng)供水,可保證水位不變;管路由鐵管和有機(jī)玻璃管構(gòu)成,試驗(yàn)段采用有機(jī)玻璃管,可便于觀察管內(nèi)流態(tài),管道內(nèi)徑D=15 cm,試驗(yàn)段有機(jī)玻璃管長(zhǎng)為370 cm,試驗(yàn)段后有足夠長(zhǎng)的用法蘭連接的直鐵管段,尾部為有壓出流,如圖1所示。
設(shè)計(jì)了相同面積收縮比的3種不同齒墩數(shù)量(齒墩數(shù)量n=3、4、5)的消能方案,其中齒墩段長(zhǎng)度β=13. 5 cm,面積收縮比ε=A1/ A0=0. 375(A0為管道的面積,A1為齒墩段的過流面積),各試驗(yàn)方案具體尺寸如圖2所示(各方案坐標(biāo)系相同)。試驗(yàn)流量范圍為8. 16~43. 82 L/ s。
試驗(yàn)測(cè)量的參數(shù)有流量、流速和壓強(qiáng)。流量由精度為0. 5級(jí)的智能電磁流量計(jì)測(cè)量,流量可由閥門控制,最大量程為600 m3/ h。流速由多普勒測(cè)速儀DOP3010傳感器測(cè)量,試驗(yàn)采樣頻率為1 MHz。流速數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制采集、記錄。在試驗(yàn)管段頂部共布設(shè)9個(gè)流速測(cè)點(diǎn),以齒墩段進(jìn)口處為坐標(biāo)軸原點(diǎn),測(cè)點(diǎn)位置用相對(duì)于管徑的倍數(shù)表示,具體測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。
壓強(qiáng)由精度為0. 1%的智能數(shù)字壓力傳感器測(cè)量,試驗(yàn)采樣時(shí)間為30 s、頻率為100 Hz。壓力數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制采集、記錄。在齒墩段布設(shè)2個(gè)測(cè)量斷面,齒墩段前6個(gè)測(cè)量斷面,齒墩段后10個(gè)測(cè)量斷面,共30個(gè)測(cè)壓點(diǎn),具體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。
2. 1 過流能力
雷諾數(shù)Re是表征慣性力與黏滯力的比值,可以用來(lái)判別液流形態(tài)。雷諾數(shù)Re=vD/ν,其中v=Q/ A為斷面平均流速,管道內(nèi)徑D=15 cm,試驗(yàn)在10℃水溫中進(jìn)行,運(yùn)動(dòng)黏度ν=0. 013 10 cm2/ s。各試驗(yàn)方案的流量系數(shù)μc與雷諾數(shù)Re的關(guān)系曲線見圖5。
從圖5可以看出,在面積收縮比ε=0. 375的情況下,雷諾數(shù)對(duì)各個(gè)方案的過流能力幾乎無(wú)影響,方案A、B、C的流量系數(shù)依次增大,其過流能力依次增強(qiáng),說(shuō)明齒墩數(shù)量對(duì)過流能力有一定的影響,在面積收縮比相同的工況下,齒墩數(shù)量越多,過流能力越強(qiáng)。
圖1 試驗(yàn)裝置示意圖(單位:cm)
圖2 3種試驗(yàn)方案尺寸示意圖(單位:cm)
圖3 流速測(cè)點(diǎn)布置
圖4 壓強(qiáng)測(cè)點(diǎn)布置
圖5 各試驗(yàn)方案流量系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系
2. 2 消能特性
設(shè)4號(hào)、8號(hào)、14號(hào)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)分別為p1、p2、p3,速度為v1、v2、v3(由理論公式v=Q/ A求得),其中v1=v3。水頭損失系數(shù)ζ可表示為式中ΔH為前后斷面的總水頭差。
局部水頭損失系數(shù)是直接影響內(nèi)消能工消能效果的重要指標(biāo),可將其分為突縮水頭損失系數(shù)和突擴(kuò)水頭損失系數(shù)兩類。試驗(yàn)得到的各試驗(yàn)方案的水頭損失系數(shù)見表1。
表1 各試驗(yàn)方案的水頭損失系數(shù)
從表1可以看出,隨著齒墩數(shù)量的增加局部水頭損失系數(shù)、突縮水頭損失系數(shù)逐漸變小,突擴(kuò)水頭損失系數(shù)逐漸變大,其中方案A的局部水頭損失系數(shù)最大,消能效果最好。
消能率η是評(píng)價(jià)消能工消能效果好壞的最主要指標(biāo)。消能率計(jì)算公式為
式中:hw為4號(hào)與14號(hào)兩斷面之間水頭損失;H為1號(hào)斷面總水頭。選取4號(hào)與14號(hào)兩斷面來(lái)計(jì)算3種方案在不同流量下的消能率。用K表示管道中速度水頭與總水頭的比值,即K=v2/2g,則水頭損失H系數(shù)ζ=η/ K,即η=Kζ。試驗(yàn)得到的消能率隨K的變化見圖6。
由圖6知,在K相同的情況下方案A消能率最大,方案B次之,方案C最小。3種試驗(yàn)方案消能率最高可達(dá)69%。齒墩式內(nèi)消能工主要通過突擴(kuò)突縮作用,在水體制造強(qiáng)剪切、強(qiáng)紊動(dòng)來(lái)進(jìn)行消能。隨著齒墩數(shù)量的增加,齒墩對(duì)水體的收縮作用減弱,突縮水頭損失降低,但齒墩分散了水流,加強(qiáng)了墩后水體的剪切、紊動(dòng),使突擴(kuò)水頭損失增加。從消能的角度看,兩者有部分抵消作用。在試驗(yàn)觀察范圍內(nèi),面積收縮比相同的情況下,齒墩數(shù)量增加,消能率有所減小。
圖6 各試驗(yàn)方案消能率隨K的變化
2. 3 脈動(dòng)壓強(qiáng)特性
采用脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)Cp來(lái)反映脈動(dòng)壓強(qiáng)特性,脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)是脈動(dòng)壓強(qiáng)與速度水頭的比值,即
其中式中:σ為脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根,反映壓強(qiáng)脈動(dòng)的劇烈程度;N為采樣次數(shù);-p為時(shí)均壓強(qiáng);pi為瞬時(shí)壓強(qiáng)。以x/ D為橫坐標(biāo),當(dāng)Q=27. 00 L/ s時(shí),3種試驗(yàn)方案的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)沿程分布見圖7。
圖7 脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)沿程分布
3種試驗(yàn)方案的脈動(dòng)強(qiáng)度系數(shù)沿程分布在齒墩段前都比較平穩(wěn),最大值出現(xiàn)在距離齒墩進(jìn)口1.3D~1. 6D處,隨后迅速衰減,在距離洞塞進(jìn)口5. 6D的距離又趨于平穩(wěn)。其中方案C的脈動(dòng)壓強(qiáng)最小,3種方案脈動(dòng)壓強(qiáng)分別為0. 7、0. 78及0. 49倍的流速水頭。
2. 4 脈動(dòng)流速特性
采用紊動(dòng)強(qiáng)度Tu來(lái)反映脈動(dòng)流速特性,紊動(dòng)強(qiáng)度為其中
u′=ui- -u式中:v為時(shí)均特征流速;σ0為脈動(dòng)流速的均方根;u′為脈動(dòng)流速;ui為瞬時(shí)流速,-u為時(shí)均流速。以x/ D為橫坐標(biāo),在流量Q=27. 00 L/ s下,各試驗(yàn)方案y軸方向距管道底部0. 2D處紊動(dòng)強(qiáng)度沿程分布見圖8。
圖8 3種試驗(yàn)方案紊動(dòng)強(qiáng)度沿程分布
從圖8可看出,3種試驗(yàn)方案紊動(dòng)強(qiáng)度從齒墩進(jìn)口處開始增強(qiáng),均在1. 5D處達(dá)到最大值,隨后開始減小,各方案均在7D以后恢復(fù)平穩(wěn),其中方案A紊動(dòng)強(qiáng)度最大。隨著齒墩數(shù)量的增加,紊動(dòng)強(qiáng)度逐漸減小。
a.齒墩式內(nèi)消能工的過流能力幾乎不受雷諾數(shù)的影響,與齒墩數(shù)量有關(guān),齒墩數(shù)量越多,過流能力越強(qiáng)。
b.在面積收縮比一定的情況下,隨著齒墩數(shù)量的增加,總局部水頭損失有所減小,其中突縮水頭損失隨著齒墩數(shù)量增加而減小,但突擴(kuò)水頭損失增加,消能率相應(yīng)降低。在試驗(yàn)測(cè)量范圍內(nèi),方案A消能效果最好,其消能率最高可達(dá)69%。
c.紊動(dòng)強(qiáng)度、脈動(dòng)壓強(qiáng)沿程分布規(guī)律大體相同,都在齒墩段前比較平穩(wěn),從齒墩段進(jìn)口開始增加,達(dá)到各自峰值后迅速減小,在距進(jìn)口一定距離逐漸趨于平穩(wěn)。3種試驗(yàn)方案的紊動(dòng)強(qiáng)度在1. 5D處達(dá)到最大值,在距進(jìn)口7D后逐漸趨于平穩(wěn);各試驗(yàn)方案的脈動(dòng)壓強(qiáng)在距離齒墩進(jìn)口1. 3D~1. 6D處達(dá)到最大值,在距離洞塞進(jìn)口5. 6D后趨于平穩(wěn)。其中紊動(dòng)強(qiáng)度隨著齒墩數(shù)量的增加有明顯的降低,方案A紊動(dòng)強(qiáng)度最大;脈動(dòng)壓強(qiáng)最大的是方案B。
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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 編輯:熊水斌)
通信作者;田淳(1963—),男,副教授,碩士,主要從事水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:tianchun_ty@163. com
作者簡(jiǎn)介:張澤(1990—),男,碩士研究生,主要從事水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:15110363727@163. com
基金項(xiàng)目:山西省自然科學(xué)基金(2013011037-4)
中圖分類號(hào):TV653
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1006 7647(2016)01 0040 04