跌坎型底流消能工淹没射流区流速衰变规律

崔召王海军田野

摘要：跌坎型底流消能工消力池内的流态为淹没射流和淹没水跃的混合流态，为了解淹没射流区的水力特性，应用紊动射流理论，分析了淹没射流区主流的扩散规律、主流轴向最大时均速度的衰变规律。采用水力学试验方法，借鉴目前研究成果的基础上，开展了淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变规律的研究。通过试验研究结果，推导出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验公式。

关键词：跌坎型底流消能工；淹没射流区；水力特性；紊动射流理论；流速衰变规律；水力学试验；入池角度；半经验计算公式

中图分类号：TV135 文献标志码：A 文章编号：

16721683（2016）05015706

Formula of flow rate decay of submerged jet area in fallingsill bottomflow energy dissipation

CUI Zhao1，WANG Haijun1，TIAN Ye2

（1.Faculty of Electric Power Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650500，China；

2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China

）

Abstract：The flow pattern in the stilling basin of fallingsill bottomflow energy dissipation was submerged jet and submerged jump mixing flow pattern.In order to understand hydraulic characteristics of the submerged jet region，the mainstream diffusion regularity of submerged jet area and the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity was analyzed by applying plane turbulent jet theory.Based on the hydraulic model experiments，and the results of previous studies，the research on attenuation rule of the mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was conducted.Based on the experimental research results，the Semiempirical formula was deduced，in which the attenuation rule of mainstream axial maximum mean velocity of submerged jet area was controlled by the intake angle.

Key words：fallingsill bottomflow energy dissipation；submerged jet area；hydraulic characteristics；turbulent jet theory；velocity attenuation rule；the hydraulic model experiments；the intake angle；the semiempirical formula.

1 平面自由紊动射流理论

1.1 紊动射流的分区结构

紊动射流的整体结构比较复杂，为便于分析，常根据不同的流动特征将射流划分为不同的区域，见图1 [1]。

由喷管出口边界起向内外扩展的剪切流动区称为自由剪切层区或紊动混合区；中心部分未受紊动混掺影响，并保持喷管速度的区域称为射流核心区；沿着纵向从喷管出口至核心区末端的区域称为射流的初始段或射流的发展区；在初始段下游区域绝大部分为充分发展的紊动混掺区，称为射流的主体段或射流的充分发展区；在射流的初始段和主体段之间有过渡段。过渡段较短，在分析中为简化起见常被忽略，仅将射流分为初始段和主体段[2]。

1.2 紊动射流流速分布的相似性

紊动射流一个重要的特点是：在射流的主体段，各断面纵向时均速度分布是相似的或自保持的[3]，即各断面纵向时均速度分布可用一个函数表示为：

2 跌坎型底流消能工淹没射流区主流扩散规律

跌坎型底流消能工[46]的体型为在消力池进口处，将消力池的底板向下开挖形成跌坎[7]，构成纵剖面上有一定垂直深度的跌坎型消力池。从流态特点来看，底流流态为淹没射流和淹没水跃的混合流态[8]，沿主流方向可分为淹没射流区、冲击区、附壁射流区，见图2 [9]。

3 淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变理论公式

3.1 目前研究成果

针对平面自由紊动射流水力特性，国外学者Forthmann早在1934年就对其进行了系统的实验研究，所获得的纵向时均速度分布结果成为后来各种理论分析的基础[1]。其后，又有多名学者对平面自由紊动射流进行了更详细的、范围更广的量测。

Abramovich（1963）根据Forthmann等的实验结果，推求出射流轴向最大时均速度衰变式为：

本文选取跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度为研究对象，着重分析了其与跌坎型底流消能工入池角度之间的关系。

4 试验及成果

4.1 试验装置和研究内容

试验装置采用有机玻璃制作而成，试验段消力池的尺寸为12 m×02 m（长×宽）。消力池的跌坎深度分别取006 m、008 m、010 m，泄槽底板末端入池处高程始终与消力池尾坎坎顶高程相同。水流入池角度分别取30°、45°。消力池的入池流量分别为6135×103 m3/s、8027×103 m3/s、10320×103 m3/s。试验中通过对跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度的量测，分析了淹没射流区主流轴向最大时均速度的衰变规律，推求出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验计算公式，并对其进行了初步研究与总结。

4.2 试验成果

跌坎型底流消能工的入池水流进入消力池后，由于跌坎的作用，入射水流以淹没射流的形式存在[1415]。在淹没射流区内，入射水流克服消力池内的水体沿程内摩擦切应力而做功，使得入射水流的动能沿程消散、转移与输运，从而降低了入射主流的流速。采用水力学试验方法，通过改变入池能量，跌坎深度以及入池角度之间的关系，研究跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度的衰变规律，同时初步推求出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰变的半经验计算公式。

为研究跌坎深度的变化对于淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减的影响，分析入池角度一定的工况下，淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减趋势。

当入池角度为30°时，在不同跌坎深度的工况下，随着入池能量的改变，跌坎型底流消能工淹没射流区[JP3]主流轴向最大时均速度衰减的实测试验数据值见表1。

综上所述，入池角度的改变对跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减规律的影响较大；而在相同入池角度的工况下，跌坎深度的改[HJ2.2mm]变对淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减规律的影响较小，故以入池角度为控制目标推求出跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减的半经验公式。

5 结语

本文基于紊动射流理论，结合跌坎型底流消能工底流流态特征，同时在借鉴目前研究成果的基础上，推导出以入池角度为控制目标的跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减的半经验公式如下：

入池角度为30°时，跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴向最大时均速度衰减率大于入池角度为45°时的最大时均速度衰减率。这是由于随着入池角度的增大，跌坎型底流消能工淹没射流区主流轴线长度逐渐减小，使得淹没射流区主流的扩散程度逐渐降低，故跌坎型底流消能工消能率的提高不能一味追求入池角度的增大。

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