第二部分-工程水力学 - IAHR中国分会

第 二 部 分 工 程 水 力 学
用 理 论 公 式 , 如 朗 金 (Rankine) 漩 涡 公 式 , 来 计 算 流 速 和 压 力 分 布 。
由 于 立 轴 漩 涡 产 生 和 发 展 的 复 杂 性 , 仅 仅 用 数 值 模 拟 的 方 法 还 不 能 完 全 解 决 问 题 , 物 理
模 型 试 验 方 法 在 研 究 立 轴 漩 涡 时 也 经 常 采 用 。Odgaard [6] 利 用 朗 金 模 型 对 表 面 吸 气 漩 涡 进 行
分 析 , 得 出 了 漩 涡 强 度 与 雷 诺 数 、 佛 汝 德 数 、 韦 伯 数 之 间 关 系 的 经 验 公 式 。 对 于 实 际 工 程 而
言 , 一 般 雷 诺 数 和 韦 伯 数 都 足 够 大 , 故 粘 性 力 和 表 面 张 力 的 影 响 可 忽 略 不 计 。 因 此 现 有 的 旋
涡 形 成 的 经 验 公 式 及 其 漩 涡 类 型 的 判 据 , 大 多 建 立 在 进 口 淹 没 水 深 和 佛 汝 德 数 的 基 础 上 。
Gordon [7] 通 过 试 验 观 测 , 将 漩 涡 形 成 的 主 要 影 响 参 数 简 化 为 佛 汝 德 数 和 进 水 口 淹 没 水 深 , 总
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结 出 不 产 生 吸 气 漩 涡 的 最 小 淹 没 深 度 为 H
min
= KVD , 其 中 H
min
为 最 小 淹 没 水 深 ,K 为
综 合 影 响 系 数 。 在 目 前 的 电 站 进 水 口 设 计 规 范 中 通 常 都 采 用 这 一 公 式 。
Gordon 和 Gulliver [8] 等 都 是 通 过 总 结 试 验 资 料 和 原 型 资 料 来 得 到 成 果 的 。 随 着 数 字 粒 子
图 像 测 速 (PIV,Particle Image Velocimetry) 技 术 的 出 现 , 人 们 能 够 更 深 入 地 了 解 漩 涡 流 动
[9]
的 内 部 结 构 和 流 动 特 征 , 这 对 立 轴 漩 涡 形 成 的 机 理 研 究 提 供 了 一 个 有 力 的 工 具 。 唐 洪 武 等
早 在 1999 年 就 开 始 应 用 数 字 粒 子 图 像 技 术 观 测 进 水 口 漩 涡 流 场 , 试 验 模 型 为 有 机 玻 璃 圆 筒 ,
圆 筒 高 50 cm, 直 径 30 cm, 实 现 低 频 率 激 光 照 明 条 件 下 获 得 高 像 质 的 流 动 图 像 的 效 果 , 得 到
漩 涡 的 流 场 特 性 。Rajendran [10] 在 长 130 cm, 宽 30 cm, 深 46 cm 的 水 槽 中 , 利 用 PIV 技 术 测
[11]
量 了 自 由 表 面 漩 涡 的 流 场 。G. Echa´vez 等 通 过 制 作 小 型 单 体 漩 涡 模 型 , 模 型 直 径 和 高 度
均 为 70 cm, 利 用 Canon L1 Hi8 摄 像 机 对 漩 涡 形 成 过 程 进 行 记 录 , 通 过 漂 浮 物 运 动 速 度 来 量
测 漩 涡 的 切 向 速 度 。
本 文 在 溪 洛 渡 水 电 站 水 工 模 型 的 基 础 上 , 对 泄 洪 洞 进 口 处 的 立 轴 漩 涡 现 象 进 行 了 深 入 的
试 验 研 究 , 试 验 中 利 用 先 进 的 摄 像 技 术 对 立 轴 漩 涡 的 形 态 进 行 了 观 测 记 录 , 对 其 形 态 发 展 变
化 过 程 有 了 较 为 详 尽 的 研 究 ; 同 时 试 验 中 利 用 PIV 流 速 测 量 系 统 观 测 了 漩 涡 表 面 的 流 场 情
况 , 对 其 强 度 变 化 过 程 进 行 了 重 点 分 析 。 本 文 的 研 究 特 色 在 于 结 合 实 际 工 程 , 在 大 型 整 体 水
工 模 型 上 进 行 了 试 验 研 究 , 研 究 结 果 对 实 际 工 程 具 有 较 高 的 参 考 价 值 。
2 试 验 设 计
本 次 试 验 是 在 溪 洛 渡 水 电 站 水 工 模 型 上 进 行 的 。 该 水 电 枢 纽 工 程 主 要 建 筑 物 由 混 凝 土 双
曲 拱 坝 、 泄 洪 设 施 和 引 水 发 电 建 筑 物 组 成 , 混 凝 土 双 曲 拱 坝 坝 高 278 m。 在 校 核 和 设 计 洪 水
情 况 下 , 泄 洪 洞 的 总 泄 流 流 量 分 别 为 16648 m 3 /s、15430 m 3 /s。 该 工 程 右 岸 各 2 条 常 规 泄 洪
洞 , 其 中 泄 洪 洞 断 面 均 为 14.0 m×12.0 m, 长 度 均 超 过 了 1600 m。 对 该 工 程 进 行 泄 洪 消 能 模
型 试 验 研 究 , 采 用 整 体 、 正 态 模 型 , 模 型 比 尺 为 1:100。 试 验 范 围 : 拱 坝 上 游 约 800 m, 宽 720 m,
地 形 高 程 模 拟 至 610 m。 拱 坝 下 游 至 最 远 一 个 泄 洪 洞 (1# 泄 洪 洞 ) 以 下 约 1 km, 即 下 游 总 长
2.3 km, 模 拟 宽 度 原 型 460 m, 地 形 高 程 至 430 m, 整 个 模 拟 范 围 包 括 了 枢 纽 所 有 建 筑 物 及
其 进 出 口 , 并 延 伸 到 一 定 距 离 。 模 型 设 计 及 试 验 范 围 如 图 1 所 示 , 本 次 试 验 主 要 是 在 模 型 3
号 泄 洪 洞 进 口 处 进 行 的 。
在 本 次 模 型 试 验 中 , 对 不 同 水 位 情 况 下 立 轴 漩 涡 的 形 态 变 化 进 行 了 观 测 记 录 , 观 测 工 具
是 Panasonic NV-GS400 摄 像 机 。 同 时 为 了 清 楚 的 表 现 漩 涡 的 形 态 特 征 , 在 进 口 处 的 水 面 撒
上 了 一 层 白 色 塑 料 砂 , 这 些 砂 子 能 够 漂 浮 在 水 面 上 并 且 随 着 水 流 流 动 从 而 能 够 清 晰 的 表 现 出
漩 涡 的 形 态 特 征 。 另 外 , 在 泄 洪 洞 进 口 利 用 流 场 实 时 测 量 系 统 (VDMS) 对 漩 涡 表 面 流 场 进
行 了 详 细 的 观 测 。VDMS 是 采 用 粒 子 图 像 跟 踪 测 速 技 术 (PIV) 开 发 的 大 范 围 同 步 测 速 系 统 ,
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