喻黎明 張玉勝 崔吉林 李 娜 楊汶翰 郝志銘

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 昆明 650500; 2.西南有色昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)(院)股份有限公司, 昆明 650217;3.云南點(diǎn)潤(rùn)節(jié)水設(shè)備制造有限公司, 昆明 650600)

0 引言

輸水管網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用,高壓水會(huì)對(duì)輸水管網(wǎng)的運(yùn)行安全和穩(wěn)定造成威脅[1]。管網(wǎng)消能防止下游出現(xiàn)相關(guān)安全問(wèn)題[2～3],山區(qū)灌溉和雨水收集工程高差較大,低處管網(wǎng)極易出現(xiàn)爆管,影響使用壽命[4]。傳統(tǒng)的解決方案都是安裝閥門,調(diào)節(jié)輸水壓力,但會(huì)造成過(guò)流量不足或者成本過(guò)高等問(wèn)題[5]。目前消能裝置是山丘區(qū)輸水管網(wǎng)的重要設(shè)施,但現(xiàn)有的消能裝置對(duì)于小型用戶或者雨水集流灌溉來(lái)說(shuō),投資成本過(guò)高。所以成本較低的消能裝置對(duì)于保障我國(guó)干旱區(qū)或者季節(jié)性干旱區(qū)山丘雨水集流灌溉管網(wǎng)的安全以及山丘區(qū)輸水管網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。

消能裝置主要分為兩類:旋流式內(nèi)消能裝置和突擴(kuò)突縮式內(nèi)消能裝置[6]。其中突擴(kuò)突縮式內(nèi)消能裝置中孔板式消能可分為單級(jí)孔板消能工和多級(jí)孔板消能工兩類[7]。張婷等[8]研究了齒墩內(nèi)表面不同的兩種體型齒墩式內(nèi)消能工,利用Fluent模擬方法探討了兩種導(dǎo)流孔在流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)、紊動(dòng)能及水力參數(shù)等對(duì)比分析。張婷等[9]研究了齒墩狀內(nèi)消能工的消能及壓力特性,通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)不同面積收縮比的齒墩狀內(nèi)消能工進(jìn)行了研究。李曉娟[10]分析了不同齒墩長(zhǎng)度對(duì)齒墩狀內(nèi)消能工的水頭損失系數(shù)、消能率、壁面時(shí)均壓強(qiáng)系數(shù)沿程分布規(guī)律、斷面壓力云圖分布以及流速矢量分布的影響。延耀興等[11]通過(guò)調(diào)整孔板的扭轉(zhuǎn)角度和孔板間距對(duì)階梯螺旋孔口式孔板消能降壓裝置進(jìn)行了研究,控制不同結(jié)構(gòu)組合方式,滿足不同節(jié)水灌溉方式對(duì)水壓的需求。延耀興等[12]主要對(duì)螺旋式孔口管道消能裝置水力特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)消能率隨扭轉(zhuǎn)角的增大而增大。宋馳[13]控制節(jié)流片開(kāi)口角度和葉片偏轉(zhuǎn)角度對(duì)外圓筒消能裝置進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)。綜上,諸多學(xué)者均對(duì)不同類型消能裝置進(jìn)行了廣泛的研究,但是研究對(duì)象結(jié)構(gòu)單一,主要通過(guò)控制過(guò)流面尺寸和過(guò)流面形狀很難揭示消能機(jī)理,使得結(jié)構(gòu)優(yōu)化較少。

因此,本文以導(dǎo)流式消能裝置為研究對(duì)象,利用導(dǎo)流孔的突縮和突擴(kuò)消能方式,以及導(dǎo)流孔布置角度并結(jié)合導(dǎo)流片促使水流在裝置內(nèi)部對(duì)沖,從而對(duì)能量造成消耗。通過(guò)多種分析方法來(lái)闡述其內(nèi)部流態(tài)與消能的關(guān)系,對(duì)比不同孔徑和有無(wú)導(dǎo)流片影響因素,系統(tǒng)分析消能率的變化規(guī)律,從而準(zhǔn)確地篩選出最佳結(jié)構(gòu)因素水平,并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

1 導(dǎo)流式輸水管網(wǎng)消能裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

導(dǎo)流式輸水管網(wǎng)消能裝置設(shè)計(jì)要求包括:①良好的消能效果,滿足預(yù)期工作要求。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝便捷,滿足環(huán)境要求。③消能裝置前后端流速穩(wěn)定。④制作材料價(jià)格低廉,有效降低成本。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示,消能裝置包括上殼體、下殼體、消能板、導(dǎo)流片,將上殼體蓋合在下殼體上,在上殼體和下殼體之間形成消能空腔,消能空腔一端設(shè)有進(jìn)水口,另一端設(shè)有出水口,消能空腔內(nèi)布置有消能板,消能板上部設(shè)有導(dǎo)流孔,當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間工作后,可定期拆卸方便清洗內(nèi)腔。通過(guò)在消能空腔中設(shè)置多片消能板,選取的消能板片數(shù)既要確保消能能力,同時(shí)也要考慮過(guò)流能力[14]。選取超過(guò)5片時(shí)雖然消能效果會(huì)更好,但是提升空間不大,同時(shí)也會(huì)造成材料浪費(fèi)、提升使用成本,經(jīng)過(guò)多次對(duì)比仿真預(yù)試驗(yàn),選取5片消能板比較合適。進(jìn)出口兩端采用螺紋連接保證密封性和連接強(qiáng)度。為減少試驗(yàn)誤差,裝置設(shè)計(jì)模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ投疾捎?∶1等比例尺寸,消能裝置模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters

圖1 消能裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of energy dissipation device structure1.入口 2.消能板 3.導(dǎo)流孔 4.導(dǎo)流片

1.3 消能板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

消能板是消能裝置核心工作部件,如圖1d所示,消能板垂直對(duì)稱線上側(cè)設(shè)有導(dǎo)流孔,導(dǎo)流孔內(nèi)安裝有導(dǎo)流片。消能空腔內(nèi)均勻間隔設(shè)有朝出水方向彎曲的消能板,消能板水平投影為圓形,水流沖擊后能快速擴(kuò)散開(kāi),作為優(yōu)選,消能板的傾斜角度為45°,水流進(jìn)入后沖擊第1塊消能板,然后從第1塊消能板上導(dǎo)流孔流出,由于消能板整體彎曲設(shè)置,因此從第1塊消能板上導(dǎo)流孔流出的水向斜下方流動(dòng),沖擊第2塊消能板下部,不斷重復(fù),直至從出水口流出。

2 數(shù)值模擬及試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

2.1 數(shù)值模型參數(shù)選擇

結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)需要在不同工況下選取關(guān)鍵因素進(jìn)行數(shù)值模擬[15],導(dǎo)流片在流域中改變了水流的方向與分布[16],試驗(yàn)中研究對(duì)象導(dǎo)流孔和導(dǎo)流片對(duì)裝置消能率起關(guān)鍵作用,本試驗(yàn)選取入口流速、導(dǎo)流孔徑比例、有無(wú)安裝導(dǎo)流片3種因素(表2),入口流速設(shè)置水平分別為1.0、2.0、3.0 m/s;導(dǎo)流孔徑比例設(shè)置,以基礎(chǔ)導(dǎo)流孔直徑12 mm成比例保持遞增(1∶1.1∶1.2∶1.3∶1.4)對(duì)應(yīng)12.0、13.2、14.4、15.6、16.8 mm,成比例保持遞減(1.4∶1.3∶1.2∶1.1∶1)對(duì)應(yīng)16.8、15.6、14.4、13.2、12.0 mm,以及比例保持不變(1∶1∶1∶1∶1)均對(duì)應(yīng)12 mm,平均孔徑分別為14.4、14.4、12.0 mm。一方面可以探討導(dǎo)流孔徑對(duì)消能率的影響,另一方面為了說(shuō)明導(dǎo)流孔徑比例保持不變布置方式消能率較高,同時(shí)單一控制方便加工制作和組合安裝。通過(guò)Fluent數(shù)值模擬計(jì)算,探討不同因素對(duì)消能裝置整體性能影響的規(guī)律,從而找到影響因素水平的最優(yōu)組合。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test factors and levels

2.2 幾何模型建立

采用SolidWorks 2021建模,共6個(gè)模型并網(wǎng)格化,網(wǎng)格為四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格間距為2,并對(duì)網(wǎng)格優(yōu)化,提升網(wǎng)格質(zhì)量,最低保持在0.35以上,網(wǎng)格數(shù)為7×105個(gè)左右(表3),并對(duì)其做無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)[17],在Fluent中設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬,選定數(shù)學(xué)模型、離散方法和求解算法[8]。

表3 試驗(yàn)對(duì)象網(wǎng)格數(shù)Tab.3 Grid number of test object

圖2中,設(shè)置了7個(gè)監(jiān)測(cè)面:In、A、B、C、D、E和 Out,取7個(gè)監(jiān)測(cè)面的數(shù)據(jù),采用Tecplot后處理軟件設(shè)置需要的壓力、流速、渦量場(chǎng)等。

圖2 消能腔內(nèi)流線圖和監(jiān)測(cè)面位置分布圖Fig.2 Flow diagram in energy dissipation cavity and location distribution diagram of monitoring surface

2.3 邊界條件設(shè)定

由于消能裝置空腔內(nèi)部存在回流和射流現(xiàn)象,故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[18]。進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口,分別為1.0、2.0、3.0 m/s,湍流強(qiáng)度對(duì)應(yīng)入口流速,分別設(shè)置為4.64%、4.26%和4.05%,水力直徑25.6 mm,出口條件設(shè)置為壓力出口,壓力設(shè)置為0.1 MPa[19],其余邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移固壁邊界,壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.4 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬的結(jié)果,以驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。消能裝置3D打印,材料為灰黑玻璃增強(qiáng)尼龍,以保證強(qiáng)度和剛度。測(cè)試平臺(tái)如圖3所示。試驗(yàn)時(shí),調(diào)節(jié)消能裝置前端流速調(diào)節(jié)閥,控制電磁流量計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定在1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5 m/s時(shí)進(jìn)行測(cè)試,通過(guò)微調(diào)出口端壓力調(diào)節(jié)閥,使出口壓力表數(shù)值保持在0.1 MPa。

圖3 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)裝配圖Fig.3 Test platform assembly drawing1.水泵 2.蓄水桶 3.Y型網(wǎng)式過(guò)濾器 4.壓力調(diào)節(jié)閥 5.出口壓力表 6.消能裝置 7.入口壓力表 8.電磁流量計(jì) 9.流速調(diào)節(jié)閥 10.水管

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力分布

消能裝置的壓力分布可以直觀地觀測(cè)裝置的消能效果,圖4為入口流速3.0 m/s且導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí)的總壓降,壓力呈現(xiàn)遞減趨勢(shì),每個(gè)消能腔內(nèi)水壓都在逐級(jí)遞減,并且從導(dǎo)流孔內(nèi)出來(lái)的水流呈噴射狀,噴射水流的壓力慢慢消減,一個(gè)腔體接一個(gè)腔體的壓力呈現(xiàn)階梯狀釋放,壓力逐漸變小,以此類推。對(duì)于每一個(gè)不同的入口流速,或者不同結(jié)構(gòu),均會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

圖4 入口流速3.0 m/s且導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí)的 總壓降Fig.4 Total pressure drop diagram when inlet velocity was 3.0 m/s and diversion aperture ratio remained constant

圖5為6組結(jié)構(gòu)3種入口流速下7個(gè)監(jiān)測(cè)面壓力。其中監(jiān)測(cè)面A、B、C、D、E可以反映5個(gè)導(dǎo)流孔位置的總壓,從圖5可以看出,從入口到導(dǎo)流孔A和從導(dǎo)流孔E到出口段壓降幅度較小,說(shuō)明從入口進(jìn)入導(dǎo)流孔A和從導(dǎo)流孔E到出口段消能能力較低;當(dāng)從導(dǎo)流孔A到E時(shí),6種不同結(jié)構(gòu)3種不同入口流速工況下壓力下降非常快,說(shuō)明消能能力強(qiáng),是主要的消能結(jié)構(gòu)。但下降情況稍有不同,P-W和P-Y兩組壓降基本保持成一條斜線,Z-W和Z-Y兩組壓降幅度由剛開(kāi)始相對(duì)較大再到后面相對(duì)較小,呈現(xiàn)凹陷形狀,J-W和J-Y兩組壓降幅度則相反,由剛開(kāi)始相對(duì)較小再到后面相對(duì)較大,呈現(xiàn)凸出形狀,這是因?yàn)閷?dǎo)流孔徑局限了過(guò)流面積,從而影響導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速,導(dǎo)流孔徑越小,導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速越大,故加大了局部水頭損失,加快了壓力能轉(zhuǎn)換為水動(dòng)能的效率。

圖5 6組結(jié)構(gòu)3種入口流速下7個(gè)監(jiān)測(cè)面壓力變化曲線Fig.5 Pressure change curves of seven monitoring surfaces at three inlet velocity of six groups of structures

消能裝置的消能率ηk取決于消能裝置上下游相對(duì)壓力差,即消能裝置入口與出口的壓力差與入口壓力的比值[6],即

ηk=(p1-p2)/p1×100%

(1)

式中p1——入口壓力p2——出口壓力

如圖6a所示,結(jié)合式(1)可以得出不同入口流速、不同結(jié)構(gòu)下的消能率。P-Y、P-W在相同入口流速下相較于其它對(duì)照組的消能率最高,則表明導(dǎo)流孔徑比例保持不變時(shí),消能效果更好。如圖6b(圖中J-W12表示導(dǎo)流孔直徑d1=12 mm,J-W14表示導(dǎo)流孔直徑d2=14 mm,以此類推)所示,隨著入口流速的增大,即流量的增大,消能率也會(huì)增高,同時(shí)導(dǎo)流孔直徑在d1=12 mm的消能率高于d2=14 mm的消能率。也就是說(shuō)局部水頭損失主要集中在導(dǎo)流孔,導(dǎo)流孔徑與入口流速?zèng)Q定了導(dǎo)流孔處平均流速,不同導(dǎo)流孔徑與入口流速會(huì)產(chǎn)生不同的平均流速,使得消能率也會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。綜上,在實(shí)際使用滿足不同消能工況時(shí),控制導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速,是能否達(dá)到消能需求的關(guān)鍵影響因素。

圖6 不同入口流速下消能率對(duì)比Fig.6 Comparison diagrams of energy dissipation rate at different inlet velocities

3.2 流速分布

圖7為入口速度為2.0 m/s時(shí)3組結(jié)構(gòu)的流速云圖,可以直觀地發(fā)現(xiàn)不同速度場(chǎng)的情況以及最高流速場(chǎng)產(chǎn)生的次數(shù)。

圖7 入口速度為2.0 m/s時(shí)3組結(jié)構(gòu)的流速云圖Fig.7 Velocity nephograms of three groups of structures when inlet velocity was 2.0 m/s

由圖7可以看出,由于消能腔內(nèi)部導(dǎo)流孔的存在使流域中出現(xiàn)過(guò)流面積的突縮與突擴(kuò),導(dǎo)致導(dǎo)流孔處出現(xiàn)高流速域,并且在每個(gè)腔體內(nèi)部都出現(xiàn)不同大小的渦流區(qū),在渦流區(qū)中心水體的流速趨于0 m/s,表4為入口速度為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)6組結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的最高流速。與圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)每個(gè)消能裝置局部最高流速都出現(xiàn)在過(guò)流截面積最小的導(dǎo)流孔處,表4中無(wú)導(dǎo)流片局部最高流速均比有導(dǎo)流片局部最高流速高,是因?yàn)閷?dǎo)流片安裝在導(dǎo)流孔的出口側(cè),會(huì)增大水流穿過(guò)導(dǎo)流孔的阻力,但是這種阻力會(huì)持續(xù)存在,使得導(dǎo)流孔內(nèi)最高流速會(huì)偏小于無(wú)導(dǎo)流片狀態(tài),但影響范圍較小,最高流速也較為接近。結(jié)合伯努利公式可知流體的動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能是一個(gè)恒量,三者可以相互轉(zhuǎn)換[20]可以闡述這一現(xiàn)象,忽略沿程水頭損失,流速越大,壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能越明顯,局部水頭損失越大,進(jìn)一步說(shuō)明導(dǎo)流孔徑比例保持不變,更有利于消能。

表4 入口速度為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)6組結(jié)構(gòu)中最高流速Tab.4 Obtained highest velocity in six structures when inlet velocity was 1.0 m/s, 2.0 m/s and 3.0 m/s

水流遇到消能板阻擋,流動(dòng)方向發(fā)生改變,經(jīng)過(guò)導(dǎo)流孔因過(guò)流面直徑變小,導(dǎo)致局部水頭損失增大,從導(dǎo)流孔穿過(guò)直接撞擊消能板,消能板彎曲設(shè)計(jì)配合導(dǎo)流片將有助于在消能空腔中形成水漩渦,使得流體水動(dòng)能減小,水流自身在導(dǎo)流孔進(jìn)水位置再次相互碰撞,發(fā)生強(qiáng)烈剪切作用并在消能空腔內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈紊動(dòng),從而對(duì)水流進(jìn)行有效消能。其中局部水頭損失主要在于腔內(nèi)過(guò)流面積的突擴(kuò)突縮以及導(dǎo)流孔出水口傾斜角度的影響。采用水力學(xué)相關(guān)公式用近似法計(jì)算,入口突縮阻力系數(shù)為0.75、出口突擴(kuò)阻力系數(shù)為0.4、導(dǎo)流孔傾斜阻力系數(shù)為0.85。在入口速度為1.0 m/s時(shí),導(dǎo)流孔內(nèi)平均流速為4.55 m/s,結(jié)合公式局部水頭損失為

(2)

式中H0——局部水頭損失,m

v——管道內(nèi)平均流速,m/s

ζ——阻力系數(shù)

g——重力加速度,m/s2

由式(2)計(jì)算可得局部水頭損失H0=10.63 m,總水頭損失H=11.585 m,因此,局部水頭損失占總水頭損失的96.3%。由于通過(guò)Fluent運(yùn)算的流量普遍偏大[21],水頭損失也會(huì)變大。所以當(dāng)計(jì)算總水頭損失時(shí),可以忽略沿程水頭損失[22]。

3.3 渦量場(chǎng)分布

分別選取兩種導(dǎo)流孔徑比例和3種入口流速各選型進(jìn)行分析,圖8為入口流速為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)2組結(jié)構(gòu)渦量分布云圖,渦量一般用來(lái)描述渦旋的強(qiáng)度和方向[23],從圖8可以發(fā)現(xiàn),隨著入口流量的增大,渦量強(qiáng)度和分布區(qū)域也在增大,渦量強(qiáng)度最大值平均遞增率約89%,且相同入口流速條件下,導(dǎo)流孔徑遞增相較于不變時(shí)的渦量分布區(qū)域反而會(huì)逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象說(shuō)明渦量強(qiáng)度和分布區(qū)域越大,消能效果越好,由于渦旋的存在會(huì)加大水流的對(duì)沖效果,從而增加水流在消能裝置內(nèi)能量損耗,漩渦的形成有利于消能。

圖8 入口流速為1.0、2.0、3.0 m/s時(shí)2組結(jié)構(gòu)渦量分布云圖Fig.8 Vortex distribution nephograms of two groups at inlet velocities of 1.0 m/s, 2.0 m/s and 3.0 m/s

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

一一對(duì)應(yīng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的入口壓力,擬合得到消能裝置的流速-壓力曲線(圖9)。不同流速狀態(tài)下,試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬中入口壓力誤差和擬合趨勢(shì)基本保持一致,說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果可靠。數(shù)值模擬計(jì)算值與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量值的相對(duì)誤差分別為8.01%、7.30%、7.25%、7.50%、7.20%、7.20%,即多數(shù)誤差在8%以內(nèi),造成誤差主要原因是實(shí)際試驗(yàn)中壓力表與消能裝置監(jiān)測(cè)位置達(dá)不到數(shù)值模擬中理想監(jiān)測(cè)位置,以及讀取電磁流量計(jì)和壓力表數(shù)值需要進(jìn)行估讀,均導(dǎo)致出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。此誤差可以滿足定性和定量的預(yù)測(cè)要求,可以采用數(shù)值模擬的方法對(duì)消能裝置性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

圖9 清水狀態(tài)下的流速-入口壓力曲線Fig.9 Velocity-inlet pressure curves in clear water

5 討論

5.1 導(dǎo)流片作用

靳春蕾等[24]在對(duì)轉(zhuǎn)葉式螺旋流消能裝置試驗(yàn)探究中,認(rèn)為水流流量越大,消能率越高。這與圖6b中不同結(jié)構(gòu)下消能率結(jié)論相同。段瑤[6]研究齒墩式消能結(jié)構(gòu)的消能特性,認(rèn)為齒墩面積收縮比會(huì)影響消能效果和過(guò)流量,面積收縮比越小,管內(nèi)消能效果更好。類似對(duì)比圖6a中不同結(jié)構(gòu)下消能率發(fā)現(xiàn),P-W和P-Y消能效率更高。綜上,消能率與入口流速和導(dǎo)流孔徑均存在關(guān)系,而邢少博等[25]在對(duì)灌水器的研究中發(fā)現(xiàn)穿孔形流道產(chǎn)生的渦流會(huì)對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生不同流速、層流之間的摩擦,從而有效消能。圖8也說(shuō)明了漩渦會(huì)對(duì)消能效果帶來(lái)有利影響。用Fluent使用相同的運(yùn)算方法,對(duì)入口流速設(shè)置4.0、5.0 m/s工況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同入口流速下的消能率Fig.10 Energy dissipation rate at different inlet velocities

如圖10所示,入口流速小于4.0 m/s時(shí),P-W消能率一直大于P-Y,但兩組消能率差距在持續(xù)縮小,4.0 m/s時(shí)基本持平,在5.0 m/s時(shí)出現(xiàn)反超,P-Y消能率超過(guò)P-W。導(dǎo)流孔處由漩渦帶來(lái)的水流對(duì)沖,對(duì)消能效果的影響程度逐漸增大,說(shuō)明導(dǎo)流片會(huì)有助于加大導(dǎo)流孔處水流對(duì)沖效果,使消能效果更好。

5.2 消能路徑作用

圖11表明,入口流速2.0 m/s,在監(jiān)測(cè)面C與D之間,J-W12水流被強(qiáng)制約束至導(dǎo)流孔垂直方向,沖擊至消能板上,一部分水流向消能空腔內(nèi)部渦旋,很少部分水流沖向下一個(gè)導(dǎo)流孔方向,而J-W14與J-W12兩者變化則截然不同。延耀興等[11]研究階梯螺旋孔口式孔板消能降壓裝置得知,維持旋轉(zhuǎn)水流,需消耗水流自身能量,而其旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大,消耗能量越多。宋馳[13]在研究外圓筒式水力消能裝置時(shí)提出,螺旋流強(qiáng)度越大,消能效果更優(yōu)。這均說(shuō)明消能裝置內(nèi)部消能板結(jié)構(gòu)增大水流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和消耗路徑會(huì)有助于消能。直徑d1=12 mm時(shí)消能率都高于d2=14 mm,不僅由于導(dǎo)流孔徑的區(qū)別,而且存在水流在裝置內(nèi)部無(wú)法造成有強(qiáng)度的漩渦,而在導(dǎo)流孔間直接穿過(guò),能量消耗減弱。

圖11 不同直徑時(shí)流速分布云圖Fig.11 Cloudcharts of contrast velocity distribution of different diameters

試驗(yàn)研究表明,隨著入口流速的增大,消能率也越高,消能率與導(dǎo)流孔徑之間存在負(fù)相關(guān),消能率隨著導(dǎo)流孔徑的增大反而在減小,仵峰等[26]、劉煥[27]利用這種突縮突擴(kuò)的消能手段,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合型漸縮-突擴(kuò)流道灌水器,相比于傳統(tǒng)灌水器流態(tài)指數(shù)有一定提升。忽略導(dǎo)流片的影響,選取不同導(dǎo)流孔徑d1=12 mm、d2=14 mm,通過(guò)對(duì)照試驗(yàn)前者消能率優(yōu)于后者,據(jù)此說(shuō)明結(jié)論與驗(yàn)證結(jié)果一致。為此可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,合理選擇不同導(dǎo)流孔直徑來(lái)滿足不同消能程度需求。本試驗(yàn)中在不同入口流速下消能率對(duì)比(圖6a)發(fā)現(xiàn),導(dǎo)流孔徑比例保持不變的情況下,消能率均超過(guò)成比例保持遞增和保持遞減兩種情況,根據(jù)入口流速和導(dǎo)流孔徑均會(huì)對(duì)消能效果產(chǎn)生影響,可引出導(dǎo)流孔處平均流速與水頭損失關(guān)系的分析。消能墩[28-29]的應(yīng)用原理類似,為了減小下游的沖擊,增加下游區(qū)的安全性,通過(guò)利用消能墩改變水流過(guò)流面積使得流速發(fā)生變化,從而損耗水流能量。試驗(yàn)中觀察流線(圖2),發(fā)現(xiàn)消能空腔內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的水漩渦,并進(jìn)行渦量仿真試驗(yàn),通過(guò)對(duì)渦量云圖(圖8)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),渦量強(qiáng)度和分布面積越大,消能效果越好,說(shuō)明漩渦會(huì)對(duì)消能產(chǎn)生積極的影響,漩渦的存在加大水流沖撞和摩擦。這與王新端等[30]提出的雙流道消能,正、反流道形成的兩股水流形成對(duì)沖,可以有效消能原理類似。并且,郭霖等[31-32]通過(guò)將水域分成突縮區(qū)和突擴(kuò)區(qū),水流方向分為正向水流和反向水流清楚地解釋對(duì)沖、混摻消能的機(jī)理。以及張宗孝等[33]、張晉鋒等[34]認(rèn)為消能井在利用水流從豎井跌入消能井中上、下翻滾,相互沖撞消能,并且均對(duì)消能井內(nèi)部工況以及適用范圍都進(jìn)行系統(tǒng)的探討和研究,即水流沖撞和摩擦對(duì)消能有著顯著的影響。漩渦帶來(lái)的水流沖撞消能除入口流速影響之外,導(dǎo)流片的輔助作用更為重要,通過(guò)對(duì)導(dǎo)流片作用分析,入口流速小于4.0 m/s時(shí),選擇不安裝導(dǎo)流片,達(dá)到4.0 m/s時(shí),有無(wú)導(dǎo)流片消能率基本持平,大于5.0 m/s后,選用安裝導(dǎo)流片消能效果更好。實(shí)際使用中建議:①根據(jù)實(shí)際入口流速,確定選擇是否安裝導(dǎo)流片。②由于從入口進(jìn)入的第1個(gè)空腔內(nèi)部壓力最大,可以在外殼體安裝泄壓閥,防止由于壓力過(guò)大對(duì)消能裝置內(nèi)部產(chǎn)生損壞,延長(zhǎng)使用壽命。

綜上,本文從探討有無(wú)導(dǎo)流片以及不同導(dǎo)流孔徑比例布置方式出發(fā),通過(guò)壓力分布、流速分布、渦量分布進(jìn)行探討選擇出最優(yōu)結(jié)構(gòu),分析消能裝置消能率的變化規(guī)律。后續(xù)還會(huì)探討內(nèi)部渦流對(duì)消能板和裝置內(nèi)部表面磨損的優(yōu)化[35],控制不同消能板的間距以及消能板的數(shù)量,通過(guò)測(cè)試探討不同導(dǎo)流孔徑與出入口直徑的比例對(duì)消能率和出口壓力的影響規(guī)律,來(lái)滿足不同工況的環(huán)境要求并進(jìn)行產(chǎn)品化歸類,還將探討消能裝置放置角度的影響,以及不同泥沙粒徑和濃度對(duì)消能效果的影響等。

6 結(jié)論

(1)從消能率來(lái)看,入口流速和導(dǎo)流孔徑為主導(dǎo)因素。在保證過(guò)流能力前提下,隨著入口流速的增大,即流量的增大,導(dǎo)流式消能裝置消能率也會(huì)增大,消能率與導(dǎo)流孔徑成負(fù)相關(guān),消能率隨著導(dǎo)流孔徑的增大而減小。當(dāng)基礎(chǔ)孔徑相同時(shí),為同時(shí)滿足過(guò)流能力確保消能達(dá)到較高效果,建議選擇導(dǎo)流孔徑比例保持不變布置方式。

(2)對(duì)水頭損失而言,入口流速為1.0 m/s時(shí),局部水頭損失占總水頭損失的96.3%,所以當(dāng)計(jì)算總水頭損失時(shí),可以忽略沿程水頭損失。

(3)當(dāng)入口流速小于4.0 m/s時(shí),選擇不安裝導(dǎo)流片,達(dá)到4.0 m/s時(shí),有無(wú)導(dǎo)流片消能率基本持平,大于5.0 m/s后,選用安裝導(dǎo)流片消能效果更優(yōu)。這表明隨著入口流速的增大,安裝導(dǎo)流片有助于加大漩渦水流沖撞和摩擦,減小消能路徑的影響,使得消能效果更為明顯。