李維玉　田淳　李斌

摘要：為了進(jìn)一步了解二級(jí)齒墩式消能工的水力特性及消能特性，結(jié)合前期對(duì)單級(jí)齒墩式消能工的研究，選取齒墩數(shù)目為4、面積收縮比為0.5的兩級(jí)體形相同的齒墩開展試驗(yàn)，分析兩級(jí)齒墩的間距變化對(duì)內(nèi)消能工的影響，試驗(yàn)段有機(jī)玻璃管管徑D為15.0 cm，齒墩間距分別為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD。試驗(yàn)結(jié)果表明：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，兩齒墩間的相互影響隨間距的增大逐漸減小，間距增大局部阻力系數(shù)和消能率增大，過流能力減弱;當(dāng)齒墩間距超過6.7D時(shí)，兩齒墩間互不影響，消能率和過流能力基本上不再變化。

關(guān)鍵詞：二級(jí)齒墩;齒墩間距：脈動(dòng)壓強(qiáng);過流能力;消能率

中圖分類號(hào)：TV134.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.024

突擴(kuò)突縮式消能工主要以孔板和洞塞兩種消能方式為代表，它們的消能原理是通過改變管道內(nèi)部水流的過流面積使水體的能量產(chǎn)生損耗。目前國內(nèi)關(guān)于它們的研究很多。劉善均等[1]對(duì)洞塞泄洪洞的布置形式、各級(jí)洞塞之間的尺寸比例關(guān)系進(jìn)行了全面的研究，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證了洞塞消能在改建泄洪洞方面的優(yōu)越性。小浪底工程在導(dǎo)流洞中設(shè)置多級(jí)孔板取得了良好的效果[2]。關(guān)于多級(jí)突擴(kuò)突縮內(nèi)消能工的研究主要集中在斷面收縮比和前后孔板或洞塞的間距上，夏慶福等[3]通過對(duì)二級(jí)洞塞消能工進(jìn)行數(shù)值模擬，分別研究了過流斷面收縮比和兩個(gè)洞塞的間距對(duì)各級(jí)洞塞水頭損失系數(shù)的影響，得出多級(jí)洞塞布置時(shí)最短距離應(yīng)大于4倍的過流直徑。白兆亮等[4]模擬了二級(jí)孔板在不同間距下管道中水流流場(chǎng)分布，并分析了相互影響的機(jī)理。近幾年，薛冬等[5-7]在突擴(kuò)突縮式消能工的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)探索，提出了齒墩式消能工，分別對(duì)齒墩數(shù)量相同、面積收縮比不同和面積收縮比相同、齒墩數(shù)量不同等工況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)前期研究主要集中在單級(jí)齒墩上。筆者在該前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)二級(jí)齒墩的消能特性進(jìn)行了進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)是在單級(jí)齒墩的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，試驗(yàn)裝置由溢流水箱、電磁流量計(jì)、有壓管道和兩個(gè)閥門等組成，鋼管和有機(jī)玻璃管通過法蘭連接組成了有壓管道。齒墩段采用有機(jī)玻璃管制作，不僅加工方便而且有助于觀察管道內(nèi)的水流形態(tài)。試驗(yàn)段中的有機(jī)玻璃管總長(zhǎng)370.0 cm，管徑D為15.0 cm.有機(jī)玻璃管前留有110.0 cm的長(zhǎng)度，可以使水流到達(dá)第一級(jí)齒墩前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，第二級(jí)齒墩之后留有足夠的長(zhǎng)度保證水流得到充分恢復(fù)，管道的尾部為有壓出流。試驗(yàn)裝置和齒墩間距布置見圖1。

有壓管道內(nèi)兩級(jí)齒墩的體形相同：齒墩數(shù)目為4，齒墩高度為3.75 cm，面積收縮比ε為0.5（ε=A1/，其中：A1為水流經(jīng)過齒墩時(shí)的過流面積，A為有機(jī)玻璃管斷面面積），齒墩長(zhǎng)13.5 cm，具體尺寸如圖2所示。第二級(jí)齒墩與第一級(jí)齒墩的間距d為從第一級(jí)齒墩進(jìn)口到第二級(jí)齒墩進(jìn)口的距離，分別取40、60、80、100、120cm，即約為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD（D為管道直徑）。

管道中水流的流量通過閥門調(diào)節(jié)，大小在電磁流量計(jì)上可以顯示出來，試驗(yàn)采用的電磁流量計(jì)的最大量程為600 m/h.測(cè)量精度為+0.5%，試驗(yàn)流量范圍為9 - 45 L/s.間隔3L/s測(cè)一次，共測(cè)13個(gè)。試驗(yàn)中壓力的測(cè)量采用的是CY201高精度數(shù)字壓力傳感器，通過系統(tǒng)軟件連接計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制數(shù)據(jù)的采集，測(cè)量精度可以達(dá)到0.1%。整個(gè)試驗(yàn)段根據(jù)兩齒墩間距的不同設(shè)置18 -19個(gè)壓力測(cè)量斷面，由于水流在齒墩附近壓力變化較大，經(jīng)過齒墩段后逐漸恢復(fù)，因此壓力測(cè)點(diǎn)的布置原則為在齒墩前后處加密，在兩齒墩之間均勻布置，在齒墩后測(cè)點(diǎn)間距逐漸增大，以齒墩間距為80cm的測(cè)點(diǎn)布置為例.見圖3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓強(qiáng)特性分析

2.1.1 時(shí)均壓強(qiáng)（γ為水的容重;v為流速;g為重力加速度）和x/D（定義x在第一級(jí)齒墩的進(jìn)口處為o）分別為縱、橫坐標(biāo)，P為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)均壓強(qiáng)，Pmin為各測(cè)點(diǎn)最小時(shí)均壓強(qiáng)?？梢钥闯?，5種間距下時(shí)均壓強(qiáng)變化趨勢(shì)基本一致，在進(jìn)入齒墩段前比較穩(wěn)定，然后分別在兩級(jí)齒墩處先下降后逐漸回升，并且在第一級(jí)齒墩進(jìn)出口處分布規(guī)律基本相同。在兩級(jí)齒墩之間，隨著齒墩間距的增大，壓強(qiáng)逐漸恢復(fù)，各方案第二級(jí)齒墩前后的壓強(qiáng)差分別為流速水頭的4.29、4.31、4.45、4.75、4.64倍，時(shí)均壓強(qiáng)最小值都出現(xiàn)在第二級(jí)齒墩之后，齒墩間距不同時(shí)，最小值出現(xiàn)的位置不同。

2.1.2 脈動(dòng)壓強(qiáng)

各測(cè)點(diǎn)水流的壓強(qiáng)是不斷變化的，變化的劇烈程度可以用脈動(dòng)壓強(qiáng)的均方根σ體現(xiàn)：別為橫、縱坐標(biāo)繪制各方案在同一流量（36 L/s）下的C沿水流方向分布圖（見圖5）。由圖5可知：①各方案的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)都經(jīng)過了4次波動(dòng)，分別在各級(jí)齒墩進(jìn)口處和齒墩段后距齒墩進(jìn)口1.4倍的管徑處，并且齒墩段后的波動(dòng)明顯都比齒墩進(jìn)口處的大，除了兩級(jí)齒墩段外，其他地方的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)基本沒有波動(dòng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)樗鲝牧魅她X墩到流出齒墩，經(jīng)歷了過流面積突然縮小和突然擴(kuò)大兩個(gè)過程，導(dǎo)致水流流速發(fā)生了比較強(qiáng)烈的變化，尤其在齒墩段后管道中心流速大于周圍流速，水流產(chǎn)生了旋滾，流速梯度增大，所以齒墩段后的脈動(dòng)要比齒墩進(jìn)口處的脈動(dòng)強(qiáng)度大。②第一級(jí)齒墩進(jìn)口和齒墩段后的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)峰值基本相同，第二級(jí)齒墩進(jìn)口和齒墩段后的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)峰值比第一級(jí)齒墩處的大，且第二級(jí)齒墩處的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)隨間距的增大逐漸減小。第二級(jí)齒墩段后的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)峰值分別為0. 431、0.423、0.396、0.348、0.346，可以看出間距增大到6.7D后，前后兩級(jí)齒墩處的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)峰值基本相同，原因是第一級(jí)齒墩后的水流已經(jīng)基本恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，兩級(jí)齒墩之間互不影響。

2.2過流能力分析

流量系數(shù)可以體現(xiàn)有壓管道過流能力，計(jì)算公式為均流速;v為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)）可以判斷管道內(nèi)水流流態(tài)。通過繪制流量系數(shù)μc與Re的關(guān)系曲線，可以反映不同水流流態(tài)下各方案的過流能力，μc與Re的關(guān)系曲線見圖6。可以看出，不同齒墩間距下流量系數(shù)的變化趨勢(shì)近似，即隨著Re的逐漸增大，流量系數(shù)μc先迅速增大，然后逐漸變得平穩(wěn)，表明Re會(huì)影響過流能力。當(dāng)Re較小時(shí)，水流處于紊流過渡區(qū)，流量系數(shù)μc隨著Re的增大而增大：當(dāng)Re高于1.8x10以后，水流處于完全紊流狀態(tài)，流量系數(shù)μc基本保持平穩(wěn)。對(duì)比齒墩間距不同的試驗(yàn)方案，相同R情況下，間距為2.7D、4.OD、5.3D、6.7D的流量系數(shù)依次減小，齒墩間距為8. OD和6.7D的流量系數(shù)曲線幾乎重合，由此說明二級(jí)齒墩的間距對(duì)過流能力是有影響的，雷諾數(shù)不變時(shí)，兩齒墩之間的間距增大，流量系數(shù)減小，也就是過流能力減小，當(dāng)兩齒墩的間距超過6. 7D時(shí)，過流能力基本保持不變。建立Re>l. 8x105后各方案流量系數(shù)的平均值μc與齒墩間距x/D的關(guān)系：

利用式（3）可以計(jì)算出Re>1.8x10后不同齒墩間距下二級(jí)齒墩式消能工的流量系數(shù)并推算出其相應(yīng)的過流能力。 2.3 局部阻力系數(shù)分析

局部阻力系數(shù)ζ可以直觀地體現(xiàn)水流能量損耗情況，因此可以用來判斷消能效果的好壞，其計(jì)算公式為式中：△H為消能前后的總水頭差。

為了分析第一、二級(jí)齒墩的消能效果，定義第一、二級(jí)齒墩在試驗(yàn)流量范圍內(nèi)的局部阻力系數(shù)平均值分別為ζ1和ζ2，兩級(jí)齒墩總的局部阻力系數(shù)平均值為ζ（ζ=ζl +ζ2）。計(jì)算時(shí)壓強(qiáng)取值點(diǎn)分別取齒墩前后相同位置處及兩級(jí)齒墩中間壓強(qiáng)恢復(fù)最高點(diǎn)處，局部阻力系數(shù)與齒墩間距的關(guān)系見圖7。

由圖7可知：在其他條件不變的情況下，當(dāng)齒墩間距小于6.7D時(shí)，由于兩齒墩之間互相影響，ζ1>ζ2，因此它們的局部阻力系數(shù)相差較大。隨著齒墩間距的增大，第一級(jí)齒墩的局部阻力系數(shù)ζ1變化平緩，稍有減小趨勢(shì)，第二級(jí)齒墩的局部阻力系數(shù)ζ2逐漸增大，兩條曲線漸漸接近。當(dāng)齒墩間距大于6.7D后，第一、二級(jí)齒墩的消能系數(shù)接近，都達(dá)到了2.39。其中第二級(jí)齒墩的局部阻力系數(shù)在間距6.7D時(shí)比2.7D時(shí)增大了42.3%，說明齒墩間距達(dá)到6.7D后，旋滾區(qū)段的恢復(fù)區(qū)長(zhǎng)度增長(zhǎng)，使得齒墩后水流擴(kuò)散更加充分，在水流到達(dá)第二級(jí)齒墩時(shí)兩齒墩之間已經(jīng)互不影響。整體局部阻力系數(shù)ζ隨齒墩間距的增大而增大，在齒墩間距為6.7D時(shí)趨于平緩，基本呈一條直線?？梢哉J(rèn)為，當(dāng)齒墩間距大于等于6.7D后，各級(jí)齒墩的消能作用都能夠得到充分發(fā)揮。

2.4 消能率分析

判斷水工建筑物的消能效果是否良好，最顯著的一個(gè)指標(biāo)是消能率.其計(jì)算公式為式中：h為消能前后水頭差;H為各方案2號(hào)斷面的總水頭。

用齒墩間距和消能率η分別作為橫縱坐標(biāo)，選取流量Q=18、27、36 L/s，繪制消能率隨齒墩間距變化的曲線（見圖8）。由圖8可以看出：流量相同時(shí)，齒墩間距對(duì)消能率是有影響的，齒墩間距增大，各方案的消能率逐漸增大，齒墩間距超過6.7D后趨于平穩(wěn)，且流量越大間距對(duì)消能率的影響越大。流量為18、27、36 L/s的消能率在間距為8. OD時(shí)比2.7D時(shí)分別提高了11 .4%、19.7%、23. 4%。齒墩間距相同如齒墩間距為8.OD時(shí)，流量18、27、36 Us的消能率分別為9.8%、21.8%、40.1%.說明流量越大，齒墩前后的局部水頭損失越大，消能率越大。

3 結(jié)論

本文主要分析二級(jí)齒墩不同間距對(duì)水流特性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）5種間距下時(shí)均壓強(qiáng)和脈動(dòng)壓強(qiáng)沿水流方向的分布規(guī)律近似，均在第一、二級(jí)齒墩處波動(dòng)較大。隨齒墩間距的增大，第二級(jí)齒墩前的時(shí)均壓強(qiáng)有所增大，第二級(jí)齒墩后的脈動(dòng)壓強(qiáng)系數(shù)逐漸減小。

（2）齒墩間距為2.7D時(shí)流量系數(shù)最大，各方案在Re大于1.8x10后，流量系數(shù)基本不再變化。對(duì)比5種方案，齒墩間距越大，流量系數(shù)越小，說明過流能力越弱。

（3）隨著齒墩間距的增大，管道中流速分布趨于均勻，二級(jí)齒墩式消能工的局部阻力系數(shù)和消能率均增大，大于6.7D時(shí)消能效果較好。

（4）齒墩間距從2.7D增大到6.7D時(shí)，兩齒墩間的相互影響會(huì)對(duì)消能工的過流能力、壓強(qiáng)特性及消能率產(chǎn)生影響。當(dāng)齒墩間距大于6.7D時(shí)，可以忽略兩級(jí)齒墩之間的相互影響。

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【責(zé)任編輯張華巖】