突擴式跌坎消力池摻氣特性試驗

張紅梅，劉經強，于新雨，高 媛，李樹寧

(山東農業大學水利土木工程學院，山東 泰安 271018)

傳統底流消能工多應用于中小型工程，在高壩泄流消能中應用很少。突擴式跌坎消力池作為一種應用于高水頭、大單寬流量工程的新型消能工，既對生態環境比較友好，又能顯著減低消力池內部水力學指標，在國內外很多工程中得到了很好的應用[1-2]。突擴式跌坎消力池由于側向突擴的存在，使得入射水流進入消力池后，流場幾何形狀發生突變，水流失去了兩側固體邊壁的約束，在主流兩側形成了立軸漩渦，屬于典型的三元混合流態[3]，消力池內部水流結構、壓強分布等較無突擴跌坎消力池更加復雜[4-5]。近年來不少學者對突擴式跌坎消力池進行了研究，如黃海艷等[6-9]基于水力學模型試驗，分析研究了突擴比、跌坎深度、入池水流弗勞德數等因素對消力池內底板及邊墻時均壓強、臨底流速及近墻流速的影響；王海軍等[10]基于模型試驗研究了消力池突擴側立軸漩渦的運動范圍及運動形式；金瑾等[11-12]通過數值模擬方法模擬了多股跌擴型底流消能工渦旋分布情況；李樹寧等[13-16]通過模型試驗得出了消力池底板最大臨底流速、最大動水壓強、最大上舉力的經驗估算公式；張文靜[17]基于模型試驗研究了突擴比、入池能量、尾坎高度、池長對突擴式跌坎消力池底板臨底流速和動水壓強的影響。

由于入射水流與消力池內水體形成紊動劇烈的剪切面，導致大量空氣被卷吸入水中形成水氣兩相流，水流紊流流場中含有氣泡時，原來的紊流結構勢必會發生變化，影響消力池內的水力學指標，國內外專家學者基于水工模型試驗對工程上常見的消能工如水墊塘、消力池摻氣現象進行了研究。郭子中等[18]研究了二元混合流摻氣特性，得到了其摻氣濃度分布規律；董志勇等[5-19]研究了摻氣對射流沖擊水墊塘底部及坑底壓強影響的機理；張錦等[20]通過水力學模型試驗，得到入池流量、跌坎深度以及水流入射角度對壁射流區摻氣濃度沿程分布的影響規律；Chanson等[21-22]研究了水躍中的摻氣和紊動特性，給出了摻氣的脈動頻率以及氣泡輸移規律；吳建華等[23]研究了水躍摻氣池的摻氣特性，得出了其影響因素；辜晉德等[24]通過1∶50和1∶100兩個不同比尺模型研究了挑流水墊塘的摻氣比尺效應。以上研究均基于二元流動，而關于突擴式跌坎消力池三元流動的摻氣研究成果還比較少，基于此，本文通過模型試驗，對不同流能比及突擴比的突擴式跌坎消力池摻氣特性進行了初步研究，分析了其摻氣濃度的分布規律，旨在豐富突擴式跌坎消力池研究成果，為其安全穩定運行提供理論依據。

1 試驗裝置與測點布置

試驗在山東農業大學水工實驗室進行。整個試驗系統采用循環供水，試驗模型主要由高位水箱、模型試驗區、尾水池、回水渠和地下水庫等部分組成，圖1為試驗模型示意圖，泄槽段水平長416 cm，高差為105 cm，寬度為50 cm，底坡為14°；消力池段長度為120 cm，跌坎高為6 cm，尾坎高為18 cm，消力池下游出水渠段長度為200 cm，底坡為1/100。試驗中采用了50 cm、65 cm、80 cm 3個不同的消力池寬度，對應3個不同突擴比(消力池底板寬度與泄槽寬度的比值，用β表示)，即1.0、1.3和1.6。圖2為消力池底板測點布置(以β=1.3為例)，以消力池跌坎樁號為原點，以沿池長順水流方向為x方向，沿池寬垂直水流方向為y方向，沿消力池底板1/2中線、1/4中線、邊墻線順水流方向每間隔10 cm布置一個摻氣濃度傳感器，共布置30個，用于測量無突擴跌坎消力池(β=1.0)及突擴式跌坎消力池(β=1.3、1.6)底板的摻氣濃度。

圖1 試驗模型(單位：cm)

圖2 消力池底板摻氣濃度測點布置(單位：cm)

試驗在3個不同來流條件下進行，流量測量采用中國開封儀表有限公司生產的E-mag C型電磁流量計，通過開關閘閥調節流量，采用電磁流量計讀取流量值。根據實際的試驗條件，用反映水力條件的無量綱數——流能比k(k=q/g0.5h1.5，其中q為單寬流量，h為上下游水位差)來進行3個工況的測量,其中k分別為0.014、0.018和0.021，對應出水渠末端水位分別為 4.4 cm、5.0 cm和5.7 cm。摻氣濃度采用中國水利水電科學研究院最新研制的DDCQY-2016M型電導摻氣儀與DJ800多功能采集儀組合使用進行量測，采樣頻率為100 Hz,采樣歷時82 s，摻氣濃度誤差小于0.3%。

2 試驗結果與分析

2.1 摻氣水流流態

圖3為同等水力條件下(k=0.018)，無突擴和突擴式跌坎消力池內典型的摻氣水流流態。從圖3可以看出，兩種體型的消力池摻氣水流典型流態為水躍流和射流疊加而成的混合流，且水躍流疊加在射流之上，躍首被射流分裂成兩部分；整個消力池主要分為氣泡躍移區、氣泡懸移區及清水區3個區域，且體型不同，區域范圍大小也有所不同。無突擴跌坎消力池(β=1.0)距離躍首約0.42l(l為消力池長度)處有大量水團躍出水面，整個水躍表面為氣泡躍移區，躍尾為清水區，中間部分是氣泡懸移區，躍移區氣泡比較密集、連續，以泡沫層形式存在，相比較而言氣泡懸移區氣泡分布比較均勻、稀疏，且一直延續到消力池底板；突擴式跌坎消力池(β=1.3)氣泡躍移區在泄槽延長線范圍內，長度較無突擴跌坎消力池有所減小，氣泡懸移區長度有所增加，氣泡分布更加密集，臨底長度有所減小，只在沖擊區有臨底現象，突擴處為清水回流區，攜帶部分氣泡。這與消力池內摻氣水流特性與水流內部流動密切相關。跌坎消力池的典型流態是射流與水躍流的混合流，高速射流在空氣擴散中摻入大量空氣，形成高濃度的水氣二相流，且在水流入水處摻入大量空氣，入水過程中與水躍之間強烈剪切、混摻、擴散，躍首被射流分裂成兩部分。表面水波在強烈紊動、破碎、飛濺中卷入大量空氣，同時由于水躍旋渦卷吸、輸運了大量的氣泡，使得氣泡躍移區氣泡大量連續密集存在，摻氣濃度較大。摻入的空氣一部分在紊動作用下卷入旋滾區形成懸移區，一部分隨水流帶走，直到水躍下游溢出水面形成清水區。由于突擴的存在，進入消力池的射流失去了兩側固體邊壁的直接約束，在突擴區域內形成了射流側的擴散與回流，耗散掉部分進入消力池的能量，使得入池射流與水躍之間剪切、紊動減小，因此氣泡躍移區濃度較低，懸移區范圍較大，清水區較小。

圖3 摻氣水流流態

2.2 消力池底板摻氣濃度分布特性

圖4和圖5分別給出了無突擴和突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度分布情況(以相對測點位置x/l為橫坐標，其中x為測點與消力池跌坎之間的距離)。從圖4可以看出，在同一流能比(k=0.018)條件下，無突擴跌坎消力池底板摻氣濃度呈降峰形曲線分布，沿程先迅速衰減后趨于平穩，最大值出現在躍首位置，且1/4中線處、1/2中線處及靠近邊墻處摻氣濃度分布比較均勻，1/2中線處略大。由圖5可以看出，在同一流能比(k=0.018)條件下，突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度呈升峰型曲線分布，沿程先增大到一個最大值再逐漸衰減最后趨于平穩，最大值出現在沖擊點附近，且1/4中線處摻氣濃度最大，1/2中線處次之，靠近邊墻處最小，這是由各自的摻氣水流流態決定的。無突擴跌坎消力池水流分為3個區域，水躍表面是氣泡躍移區，摻氣濃度最大，躍尾是清水區，中間是氣泡懸移區，摻氣濃度居中；對于消力池底板，主要是氣泡躍移區和清水區，高速摻氣射流入池到達底板后，底部強迫摻氣增多，摻氣分別向壁射流區擴散，同時跌坎下面存在底部旋滾區，卷入大量空氣，因此消力池底板首端摻氣濃度最大，隨著摻氣擴散，濃度逐漸衰減，到達躍尾清水區后摻氣濃度趨于平穩。突擴式跌坎消力池高速摻氣射流入池到達底板后，摻氣分別在壁射流區、突擴側擴散，同時跌坎下底流旋滾攜帶氣泡也向突擴側擴散，因此消力池底板沖擊點摻氣濃度最大，后面逐漸衰減至清水區趨于平穩；突擴式跌坎消力池由于突擴的存在，由原來的二元流變成了復雜的三元流動，射流進入消力池，水躍被分成兩部分，射流橫向擴散疊加主流的卷吸作用，使得射流邊界線附近1/4中線處摻氣濃度最大，射流中心線處摻氣濃度略小，突擴側為清水回流區，摻氣濃度最小。

圖4 無突擴跌坎消力池底板摻氣濃度分布(β=1.0，k=0.018)

圖5 突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度分布(β=1.3，k=0.018)

2.3 入池能量對消力池底板摻氣濃度的影響

圖6給出了無突擴和突擴式跌坎消力池底板1/2中線處、1/4中線處及靠近邊墻處最大摻氣濃度與入池能量的關系，其中入池能量用流能比來表征。從圖6可以看出，無突擴和突擴式跌坎消力池底板最大摻氣濃度沿程均隨著流能比的增大而增大，這是因為入池能量越大，入池射流與周圍水體剪切、摩擦作用越大，從水面卷入空氣越多，同時到達底板后沖擊作用增強，底部強迫摻氣也增多。

圖6 入池能量對消力池底板摻氣濃度的影響

2.4 突擴比對消力池底板摻氣濃度的影響

圖7給出了突擴比對消力池底板摻氣濃度的影響，可知在同一水力條件下，突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度較無突擴跌坎消力池有顯著降低，β=1.3時，消力池底板1/2中線處最大摻氣濃度降低了25%～55%，1/4中線處降低了12%左右，靠近邊墻處降低了50%左右；β=1.6時，消力池底板1/2中線處最大摻氣濃度降低了27%～55%，1/4中線處降低了5%左右，靠近邊墻處降低了70%左右。同時發現，摻氣濃度并不隨著突擴比的增大而單調減小，在消力池底板1/2中線和1/4中線處β=1.6的突擴式跌坎消力池比β=1.3的突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度大，在靠近邊墻處β=1.6的突擴式跌坎消力池比β=1.3的突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度小。這是由各自的摻氣水流流態決定的，突擴式跌坎消力池氣泡懸移區長度有所增加，臨底長度有所減小，突擴側為清水回流區，因此底板摻氣濃度較無突擴時有顯著降低；相同水力條件下，突擴比越大，消力池內相應水墊的深度也越小，高速射流入池后與池內水體產生剪切、混摻作用更強烈，底部強迫摻氣強度更大，相應的消力池底板摻氣濃度也隨之增大，而突擴側清水回流區越大，氣泡溢出水面越多，靠近邊墻區摻氣濃度相應減小。

圖7 突擴比對消力池底板摻氣濃度的影響

3 結 論

a.突擴式跌坎消力池摻氣水流典型流態為水躍流疊加在射流之上，躍首被射流分裂成兩部分，氣泡躍移區在泄槽延長線范圍內，長度較無突擴跌坎消力池有所減小，氣泡懸移區長度有所增加，臨底長度有所減小，突擴處為清水回流區，攜帶部分氣泡。

b.無突擴跌坎消力池底板摻氣濃度呈降峰形曲線分布，各縱向斷面沿程摻氣濃度分布均勻；突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度呈升峰型曲線分布，摻氣濃度在消力池底板1/4中線處最大，1/2中線處次之，靠近邊墻處最小。

c.隨著入池能量的增大，突擴式跌坎消力池底板的摻氣濃度也隨之增大。

d.同一水力條件下，突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度較無突擴跌坎消力池有顯著降低；摻氣濃度并不隨著突擴比的增大而單調減小，在消力池底板1/2中線和1/4中線處β=1.6的突擴式跌坎消力池比β=1.3的突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度大，在靠近邊墻處β=1.6的突擴式跌坎消力池比β=1.3的突擴式跌坎消力池底板摻氣濃度小。