窄缝急流冲击波与水舌扩散规律研究

杜 兰，黄国兵，王春龙

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．黄河万家寨水利枢纽有限公司，太原 030002）

窄缝急流冲击波与水舌扩散规律研究

杜 兰1，黄国兵1，王春龙2

（1．长江科学院水力学研究所，武汉 430010；2．黄河万家寨水利枢纽有限公司，太原 030002）

采用模型试验手段，通过改变来流断面水流弗氏数Fr及窄缝收缩比β2个参数，重点研究了窄缝挑坎内急流冲击波交汇点位置及水流出坎后扩散规律。研究结果表明：β对冲击波交汇点位置影响较大，而来流Fr影响较小；β越大，冲击波交汇点越靠近挑坎出口；冲击波交汇后，挑坎内表面水体开始起挑，随着β的增大，水流出射角相应减小，β＝0．2～0．25时，冲击波交汇点距挑坎出口距离占挑坎总长30%～40%，此时水舌扩散充分性及稳定性都较优。研究成果进一步丰富了对窄缝挑坎水力特性的认识，并为设计提供一定的理论依据。

窄缝消能工；急流冲击波；收缩比；水流弗氏数；挑距

1 研究背景

窄缝消能工利用收缩挑坎改变水流运动轨迹，使水舌沿纵向拉开分散入水，以达到减轻下游河槽冲刷的目的。随着我国西部高水头、大泄量、窄河谷水利工程开发建设，该消能工消能优势得以显著体现，加之科研工作者对此体型特点不断深入研究，其设计理论和实践经验都趋于成熟。倪汉根、刘韩生［1－3］从理论分析上给出了不同窄缝体型下收缩段长度、收缩比、挑坎挑角等参数的选择标准；张彦法和吴文平［4－5］、戴震霖和于月增［6］结合大量模型试验实测资料，研究了窄缝水舌运动扩散规律，并提出窄缝收缩段水面线和水舌挑距的估算公式；章福仪［7］、陈忠儒［8］等人比较了挑坎体型参数对水面线和水舌挑距的影响规律。对于挑坎内压力分布情况，高季章［9］、黄智敏［10］、王春龙［11］等人都做了大量的研究工作。王刚和王永涛［12］等人则对评判消能效果指标之一的下游冲刷进行了研究，给出了冲刷深度的估算公式。

以往对窄缝消能工的研究多侧重于寻求良好的体型以达到减轻对下游河床冲刷的目的，而实际工程运行中发现，该消能工特有的挑坎内急流冲击波产生的次生水翅造成的危害同样不可忽视。由于挑坎内水流结构复杂，先前对急流冲击波的研究都做了理想假定，如Ippen［13］在非常理想化的假定前提下给出了计算冲击波的基本式，Hager等人［14－15］也建议了一种精度更高的简化方法，改进了强冲击波的近似计算，但对于收缩段的急流情况，往往不能完全满足计算假定条件。因此，对窄缝挑坎内急流冲击波有待更加深入系统研究，从而进一步丰富该消能工的应用范畴。本文在水布垭1＃泄槽水工模型基础上，通过改变来流断面水流弗氏数Fr和窄缝收缩比β来研究冲击波及水流出射后水舌扩散等相关特性。

2 模型设计

选取水布垭1＃泄槽1∶100的正态模型为试验模型，整个泄槽用有机玻璃制成。模型长3．11 m、宽0．16 m、高1．55 m，水槽两侧为玻璃，可清楚观测到水面线变化情况。下游是用2．02 m长、宽1．00 m、0．93 m高的水泥墙砌成。堰顶高程378．2 m，挑坎出口高程252．56 m。模型布置见图1。

3 成果分析

3．1 冲击波

冲击波是窄缝收缩段内靠近两边墙水流受侧墙收缩扰动而在挑坎内交汇碰撞的一种水力现象。试验表明，冲击波交汇后水流开始起挑，交汇点的位置决定着水流始挑位置。水流起挑过早，水舌在空中裂散剧烈，造成严重雾化，对环境及建筑物安全都构成威胁；若水流起挑过晚，则水舌在空中沿纵向不能充分散开，达不到良好的消能效果，因此，冲击波交汇的位置对消能效果起着主导作用。影响冲击波交汇位置的有挑坎底板形状、收缩比、边墙形式和来流弗氏数等因素。本试验在底板形状和边墙形式一定的条件下，通过改变β和Fr两参数，从而建立冲击波交汇点位置随β和Fr的变化关系，如表1。从表1中数据可以看出，β的改变对冲击波交汇点位置影响较大，当Fr＝4．45，β＝0．50时冲击波交汇点与挑坎出口距离T仅1．5 m，邻近出口，而当β＝0．17时，T值达12．5 m，水流基本在挑坎中间部位就开始起挑；随着β的减小，靠近两边墙水流迅速在挑坎内交汇，交汇点远离挑坎出口；Fr对冲击波交汇位置影响则较小，3组不同的Fr下，β＝0．50时，T值近乎没变。因此，底板和边墙形式一定的前提下，若忽略Fr影响，可绘制β与冲击波交汇点距窄缝出口距离T的关系线如图2，并拟合两者的近似关系式如式1。

图1 模型布置图Fig．1 Layout of themodel

图2 β与冲击波交汇点距窄缝出口距离T的关系图Fig．2 The relationship be tweenβand distance T of confluence location of shock waves from bucket outlet

拟合关系式为

式中：T为冲击波交汇点距窄缝出口的距离；β为收缩比。

该关系式的适用条件为：149 m3／s·m－1≤q≤204 m3／s·m－1，4．45≤Fr≤5．57。

表1 冲击波交汇点位置随β和Fr变化关系表Table 1 Variation of the confluence location of shock waves along w ith the changes ofβand Fr

表2 β和Fr与水流出射角关系表Table 2 Relationship of outflow angle respectively w ithβand Fr

3．2 水舌扩散

3．2．1 水流出射角

从表2看出，随着收缩比的减小，水流跃出挑坎的出射角大幅增加。对于等宽挑坎，不同来流条件对水流出射角影响不大，都与模型底板的倾角（－10°）基本一致；当β≥0．25时，出射角均小于45°，根据抛体运动规律可知，出射角在45°时挑距最远，可知，在该来流范围内、底板及边墙型式一定前提下，β≥0．25时，水舌挑距不会很远；当β≤0．20时，挑坎内水面线急剧升高并迅速跃出边墙，出射角大于45°，可知，在该试验条件下，β≤0．20时，水流挑距将明显增大；Fr对出射角的影响不及β明显，但也呈现Fr越大，出射角相应减小的趋势。

图3 Fr＝4．45时不同收缩比水舌轨迹图Fig．3 W ater jet trajectories w ith different contraction ratio when Fr＝4．45

图4 Fr＝5．32时不同收缩比水舌轨迹图Fig．4 W ater jet trajectories w ith different contraction ratio when Fr＝5．32

图5 Fr＝5．57时不同收缩比水舌轨迹图Fig．5 W ater jet trajectories w ith different contraction ratio when Fr＝5．57

3．2．2 水舌轨迹

从水舌轨迹图3至图5可以看出：与等宽挑坎的水舌边界不同的是，窄缝挑坎水舌边界有4条，分别为水帘内缘、水舌内缘、水舌外缘和水翅外缘。形成水翅的原因是，高速水流进入窄缝鼻坎后，两边墙水面线受收缩边墙的干扰急剧升高，并向挑坎中心汇集，形成急流冲击波，冲击波在挑坎内交汇碰撞后表面水流起挑，先起挑的水体将脱离主体水舌向下游运动而形成水翅，实践证明，其对下游岸坡冲刷造成的危害不容忽视。主体水流受收缩鼻坎的影响以不同的出射角挑出后沿纵向扩散，它是造成下游冲刷的主要原因。

从图中还可以看出：Fr一定时，随着β的减小，水舌外缘入水点与挑坎末端距离相应增大，当β＝0．17时，水舌外缘挑距较β时增加了110～150 m，变化显著；水翅外缘挑距也随着β的减小呈增加趋势，但当β减小至一定程度时，水流出射角过大造成水翅部分水体抛出后迅速跌落至下游河道，水翅外缘挑距反而减小；水舌缘和水帘缘受Fr影响甚微；当0．33≤β≤0．50时，水翅外缘入水点较水舌外缘远，当0．17≤β≤0．25时，水翅外缘入水点则较水舌外缘近，并随收缩比的减小距离越来越近，水翅外缘最高点的高程也随之增高。试验发现：当0．20≤β≤0．25时，水舌在空中能够充分扩散，整个水体裂散得很薄，但当β＝0．20时，水舌轨迹轻微摆动，部分水体飞溅后形成轻微的雾化现象。当收缩比β＝0．17时，挑坎内水面急剧升高，跃出边墙，水体完全破碎，水舌摆幅较大且雾化现象严重。

总之，结合水流的扩散程度、水舌稳定情况和下游的雾化严重程度综合分析认为，在该试验条件下，当0．20≤β≤0．25时，水舌扩散充分，能够形成典型的窄缝流态。β＝0．25虽不如β＝0．20水流扩散充分，但水舌稳定性稍优，而β＝0．17时水舌裂散剧烈，雾化现象严重。

4 结 论

通过以上模型试验实测资料及分析可见，在该试验条件下，当冲击波交汇点距挑坎末端距离T占整个挑坎总长度L的30%～40%时，出射水流可以以40°～45°出射角挑离鼻坎，相应的水舌在空中扩散的充分性、稳定性及下游的雾化程度都较优。水布垭1＃泄槽在选用了β＝0．25收缩比体型下也成功解决了急流冲击波形成的水翅冲打岸坡的现象。由此可见，窄缝挑坎内急流冲击波与水舌及水翅扩散密切相关。

窄缝挑坎内水流流速高、紊动性强、水流结构非常复杂，对冲击波形成机理及水翅控导措施有待更多科研学者做出深入而系统的研究。

［1］ 倪汉根，刘韩生．窄缝式消能工收缩段的体型设计［J］．水利学报，1999，（2）：33－38．（NIHan gen，LIU Han sheng．Design of Slit Type Buckets［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1999，（2）：33－38．（in Chi nese））

［2］ 刘韩生，倪汉根，梁 川．对称曲线边墙窄缝挑坎的体型设计方法［J］．水利学报，2000，（5）：70－75．（LIU han sheng，NI han gen，LIANG Chuan．Configuration Design Method for Symmetric Slit bucket with Curved Side wall［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2000，（5）：70－75．（in Chinese））

［3］ 倪汉根，刘韩生，梁 川．兼使水流转向的非对称窄缝挑坎［J］．水利学报，2001，（8）：85－89．（NIHan gen，LIU Han sheng，LIANG Chuan．Asymmetric Slit Buckets with Function of Changing Flow Direction［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2001，（8）：85－89．（in Chinese））

［4］ 吴文平，张彦法．窄缝挑流水舌的运动扩散规律及应用［J］．水力发电学报，1989，（4）：71－76．（WU Wen ping，ZHANG Yan fa．The Water Tongue Diffuses Mechanism and Application of Slit type Bucket［J］．Jour nal of Hydroelectric Engineering，1989，（4）：71－76．（in Chinese））

［5］ 张彦法，吴文平．窄缝挑坎水面线及水舌挑距的试验研究［J］．水利学报，1989，（5）：14－21．（ZHANG Yan fa，WUWen ping．Experimental Researches on the Flow Profile and the Nappe Trajectory Distance for Slit type Bucket［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1989，（5）：14－21．（in Chinese））

［6］ 戴震霖，于月增．深孔窄缝挑流水力参数及挑距的研究［J］．陕西水力发电，1992，（1）：7－13．（DAIZhen lin，YU Yue zeng．A Study on Jet Trajectory Length and Parameters of Water Jet Deflection from Slit type Flip Buckets of Deep Outlets［J］．Journal of Shaanxi Water Power，1992，（1）：7－13．（in Chinese））

［7］ 章福仪，陈美法，项亚萍．窄缝挑坎倾角对射流扩散减冲效果试验和挑距计算［J］．水利学报，1993，（11）：

69－75．（ZHANG Fu yi，CHEN Mei fa，XIANG Ya ping．Experimental of the Slit type Bucket Angle on Jet Diffusion Effectand the Distance Calculation［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1993，（11）：69－75．（in Chi nese））

［8］ 陈忠儒，陈义东．窄缝式消能工的水力特性及其体型研究［J］．水电工程研究，2001，（3／4）：51－59，68．（CHEN Zhong ru，CHEN Yi dong．Research on the Hy draulic Characteristics and Type of Slit type Bucket［J］．Journal of Hydroelectric Engineering Research，2001，（3／4）：51－59，68．（in Chinese））

［9］ 高季章．窄缝挑坎侧墙动水压力的初步研究［C］／／水利水电科学研究论文集，北京：水利水电出版社，1986．（GAO Ji zhang．Preliminary Study on the Hydrody namic Pressure of Slit type Flip Side Wall［C］∥Proceed ings of the Study on Water Conservancy and Hydropower Science，Beijing：Water Power Press，1986．（in Chi nese））

［10］黄智敏，何小惠，朱红华，等．窄缝式挑坎体型及动水压强特性分析［J］．中国农村水利水电，2006，（5）：69－72．（HUANG Zhi min，HE Xiao hui，ZHU Hong hua，et al．Analysis of Configuration Layout and Hydro dynamic Pressure Characteristics of Slit type Bucket［J］．Journal of China Rural Water and Hydropower，2006，（5）：69－72．（in Chinese））

［11］王春龙．窄缝消能工的水力特性试验及数值模拟研究［D］．武汉：长江科学院，2008．（WANG Chun long．Experimental and Numerical Simulation on the Hydraulic Characteristics of Slit Type Bucket［D］．Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2008．（in Chinese））

［12］王 刚，王永涛．关于窄缝挑坎挑流冲坑水垫厚度的估算［J］．水利科技与经济，2010，（7）：754．（WANG Gang，WANG Yong tao．Estimation of theWater Cushion Thickness in the Scouring Pit ofWater Jet from Slit Type Bucket［J］．Water Conservancy Science and Technology and Economy，2010，（7）：754．（in Chinese））

［13］IPPEN A T．Gas wave Analogies in Open Channel Flow［C］∥Proceedings of the2nd Hydraulics Conference Bul letin 27，Studies in Engineering．June 1－4，1942，Uni versity of Iowa，1943：248－265．

［14］HAGERW H，BRETZN V．Discussion to Simplified De sign of Contractions in Supercritical Flow［J］．Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1987，113（3）：422－424．

［15］HAGER W H．Transitional Flow in Channel Junctions［J］．Journal of Hydraulic Engineering，ASCE，1989，155（2）：243－259．

（编辑：赵卫兵）

Location of the Confluence of Rapid Shock Waves and Regularity of W ater Tongue Diffusion of Slit Type Energy Dissipator

DU Lan1，HUANG Guo bing1，WANG Chun long2
（1．Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Yellow River Wanjiazhai Power Project Co．Ltd．，Taiyuan 030002，China）

By changing the inflow Froude number Fr and the contraction ratioβof narrow slit inmodel experiments，we researched the confluence location of rapid shock waves and the diffusion regularity of flow out of the slit buck et．Results show that：βhas larger influence on the confluence location of rapid shock waves than Fr does；the lar gerβis，the closer the confluence location is to the flip bucket outlet．After the shock wavesmeet，the surfacewa ter in the bucket starts to shoot，and the outflow angle reduces correspondingly asβincreases．Whenβ＝0．2～0．25，the distance of confluence location from the outlet accounts for 30% 40%of the total length of the flip buck et，in which case the water tongue diffusion ismore sufficient and stable．The research results enriched the under standing of hydraulic characteristics in slit type bucket，and provide a theoretical basis for relative design．

slit type energy dissipator；rapid shock wave；contraction ratio；Froude number；jet trajectory length

TV133

A

1001－5485（2013）08－0054－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．013

2013，30（08）：54－57，83

2013－04－22；

2013－06－01

国家自然科学基金项目（51279013）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目（CKSF2013023／SL）

杜 兰（1985－），女，湖北襄阳人，助理工程师，主要从事枢纽与电站水力学研究，（电话）15872353580（电子信箱）kuailelanlan＠163．com。