齿墩间距对二级齿墩式消能工消能效率的影响

李维玉　田淳　李斌

摘要：为了进一步了解二级齿墩式消能工的水力特性及消能特性，结合前期对单级齿墩式消能工的研究，选取齿墩数目为4、面积收缩比为0.5的两级体形相同的齿墩开展试验，分析两级齿墩的间距变化对内消能工的影响，试验段有机玻璃管管径D为15.0 cm，齿墩间距分别为2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD。试验结果表明：在试验范围内，两齿墩间的相互影响随间距的增大逐渐减小，间距增大局部阻力系数和消能率增大，过流能力减弱;当齿墩间距超过6.7D时，两齿墩间互不影响，消能率和过流能力基本上不再变化。

关键词：二级齿墩;齿墩间距：脉动压强;过流能力;消能率

中图分类号：TV134.2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.024

突扩突缩式消能工主要以孔板和洞塞两种消能方式为代表，它们的消能原理是通过改变管道内部水流的过流面积使水体的能量产生损耗。目前国内关于它们的研究很多。刘善均等[1]对洞塞泄洪洞的布置形式、各级洞塞之间的尺寸比例关系进行了全面的研究，并结合实际工程进行计算，验证了洞塞消能在改建泄洪洞方面的优越性。小浪底工程在导流洞中设置多级孔板取得了良好的效果[2]。关于多级突扩突缩内消能工的研究主要集中在断面收缩比和前后孔板或洞塞的间距上，夏庆福等[3]通过对二级洞塞消能工进行数值模拟，分别研究了过流断面收缩比和两个洞塞的间距对各级洞塞水头损失系数的影响，得出多级洞塞布置时最短距离应大于4倍的过流直径。白兆亮等[4]模拟了二级孔板在不同间距下管道中水流流场分布，并分析了相互影响的机理。近几年，薛冬等[5-7]在突扩突缩式消能工的基础上进行改进探索，提出了齿墩式消能工，分别对齿墩数量相同、面积收缩比不同和面积收缩比相同、齿墩数量不同等工况进行了试验研究，试验前期研究主要集中在单级齿墩上。笔者在该前期研究的基础上，对二级齿墩的消能特性进行了进一步试验研究。

1 试验装置及试验方案

本试验是在单级齿墩的基础上进行的，试验装置由溢流水箱、电磁流量计、有压管道和两个阀门等组成，钢管和有机玻璃管通过法兰连接组成了有压管道。齿墩段采用有机玻璃管制作，不仅加工方便而且有助于观察管道内的水流形态。试验段中的有机玻璃管总长370.0 cm，管径D为15.0 cm.有机玻璃管前留有110.0 cm的长度，可以使水流到达第一级齿墩前达到稳定状态，第二级齿墩之后留有足够的长度保证水流得到充分恢复，管道的尾部为有压出流。试验装置和齿墩间距布置见图1。

有压管道内两级齿墩的体形相同：齿墩数目为4，齿墩高度为3.75 cm，面积收缩比ε为0.5（ε=A1/，其中：A1为水流经过齿墩时的过流面积，A为有机玻璃管断面面积），齿墩长13.5 cm，具体尺寸如图2所示。第二级齿墩与第一级齿墩的间距d为从第一级齿墩进口到第二级齿墩进口的距离，分别取40、60、80、100、120cm，即約为2.7D、4.OD、5.3D、6.7D、8.OD（D为管道直径）。

管道中水流的流量通过阀门调节，大小在电磁流量计上可以显示出来，试验采用的电磁流量计的最大量程为600 m/h.测量精度为+0.5%，试验流量范围为9 - 45 L/s.间隔3L/s测一次，共测13个。试验中压力的测量采用的是CY201高精度数字压力传感器，通过系统软件连接计算机自动控制数据的采集，测量精度可以达到0.1%。整个试验段根据两齿墩间距的不同设置18 -19个压力测量断面，由于水流在齿墩附近压力变化较大，经过齿墩段后逐渐恢复，因此压力测点的布置原则为在齿墩前后处加密，在两齿墩之间均匀布置，在齿墩后测点间距逐渐增大，以齿墩间距为80cm的测点布置为例.见图3。

2 试验结果分析

2.1 压强特性分析

2.1.1 时均压强（γ为水的容重;v为流速;g为重力加速度）和x/D（定义x在第一级齿墩的进口处为o）分别为纵、横坐标，P为第i个测点的时均压强，Pmin为各测点最小时均压强。可以看出，5种间距下时均压强变化趋势基本一致，在进入齿墩段前比较稳定，然后分别在两级齿墩处先下降后逐渐回升，并且在第一级齿墩进出口处分布规律基本相同。在两级齿墩之间，随着齿墩间距的增大，压强逐渐恢复，各方案第二级齿墩前后的压强差分别为流速水头的4.29、4.31、4.45、4.75、4.64倍，时均压强最小值都出现在第二级齿墩之后，齿墩间距不同时，最小值出现的位置不同。

2.1.2 脉动压强

各测点水流的压强是不断变化的，变化的剧烈程度可以用脉动压强的均方根σ体现：别为横、纵坐标绘制各方案在同一流量（36 L/s）下的C沿水流方向分布图（见图5）。由图5可知：①各方案的脉动压强系数都经过了4次波动，分别在各级齿墩进口处和齿墩段后距齿墩进口1.4倍的管径处，并且齿墩段后的波动明显都比齿墩进口处的大，除了两级齿墩段外，其他地方的脉动压强系数基本没有波动。产生这种现象是因为水流从流人齿墩到流出齿墩，经历了过流面积突然缩小和突然扩大两个过程，导致水流流速发生了比较强烈的变化，尤其在齿墩段后管道中心流速大于周围流速，水流产生了旋滚，流速梯度增大，所以齿墩段后的脉动要比齿墩进口处的脉动强度大。②第一级齿墩进口和齿墩段后的脉动压强系数峰值基本相同，第二级齿墩进口和齿墩段后的脉动压强系数峰值比第一级齿墩处的大，且第二级齿墩处的脉动压强系数随间距的增大逐渐减小。第二级齿墩段后的脉动压强系数峰值分别为0. 431、0.423、0.396、0.348、0.346，可以看出间距增大到6.7D后，前后两级齿墩处的脉动压强系数峰值基本相同，原因是第一级齿墩后的水流已经基本恢复稳定状态，两级齿墩之间互不影响。

2.2过流能力分析

流量系数可以体现有压管道过流能力，计算公式为均流速;v为运动黏滞系数）可以判断管道内水流流态。通过绘制流量系数μc与Re的关系曲线，可以反映不同水流流态下各方案的过流能力，μc与Re的关系曲线见图6。可以看出，不同齿墩间距下流量系数的变化趋势近似，即随着Re的逐渐增大，流量系数μc先迅速增大，然后逐渐变得平稳，表明Re会影响过流能力。当Re较小时，水流处于紊流过渡区，流量系数μc随着Re的增大而增大：当Re高于1.8x10以后，水流处于完全紊流状态，流量系数μc基本保持平稳。对比齿墩间距不同的试验方案，相同R情况下，间距为2.7D、4.OD、5.3D、6.7D的流量系数依次减小，齿墩间距为8. OD和6.7D的流量系数曲线几乎重合，由此说明二级齿墩的间距对过流能力是有影响的，雷诺数不变时，两齿墩之间的间距增大，流量系数减小，也就是过流能力减小，当两齿墩的间距超过6. 7D时，过流能力基本保持不变。建立Re>l. 8x105后各方案流量系数的平均值μc与齿墩间距x/D的关系：

利用式（3）可以计算出Re>1.8x10后不同齿墩间距下二级齿墩式消能工的流量系数并推算出其相应的过流能力。 2.3 局部阻力系数分析

局部阻力系数ζ可以直观地体现水流能量损耗情况，因此可以用来判断消能效果的好坏，其计算公式为式中：△H为消能前后的总水头差。

为了分析第一、二级齿墩的消能效果，定义第一、二级齿墩在试验流量范围内的局部阻力系数平均值分别为ζ1和ζ2，两级齿墩总的局部阻力系数平均值为ζ（ζ=ζl +ζ2）。计算时压强取值点分别取齿墩前后相同位置处及两级齿墩中间压强恢复最高点处，局部阻力系数与齿墩间距的关系见图7。

由图7可知：在其他条件不变的情况下，当齿墩间距小于6.7D时，由于两齿墩之间互相影响，ζ1>ζ2，因此它们的局部阻力系数相差较大。随着齿墩间距的增大，第一级齿墩的局部阻力系数ζ1变化平缓，稍有减小趋势，第二级齿墩的局部阻力系数ζ2逐渐增大，两条曲线渐渐接近。当齿墩间距大于6.7D后，第一、二级齿墩的消能系数接近，都达到了2.39。其中第二级齿墩的局部阻力系数在间距6.7D时比2.7D时增大了42.3%，说明齿墩间距达到6.7D后，旋滚区段的恢复区长度增长，使得齿墩后水流扩散更加充分，在水流到达第二级齿墩时两齿墩之间已经互不影响。整体局部阻力系数ζ随齿墩间距的增大而增大，在齿墩间距为6.7D时趋于平缓，基本呈一条直线。可以认为，当齿墩间距大于等于6.7D后，各级齿墩的消能作用都能够得到充分发挥。

2.4 消能率分析

判断水工建筑物的消能效果是否良好，最显著的一个指标是消能率.其计算公式为式中：h为消能前后水头差;H为各方案2号断面的总水头。

用齒墩间距和消能率η分别作为横纵坐标，选取流量Q=18、27、36 L/s，绘制消能率随齿墩间距变化的曲线（见图8）。由图8可以看出：流量相同时，齿墩间距对消能率是有影响的，齿墩间距增大，各方案的消能率逐渐增大，齿墩间距超过6.7D后趋于平稳，且流量越大间距对消能率的影响越大。流量为18、27、36 L/s的消能率在间距为8. OD时比2.7D时分别提高了11 .4%、19.7%、23. 4%。齿墩间距相同如齿墩间距为8.OD时，流量18、27、36 Us的消能率分别为9.8%、21.8%、40.1%.说明流量越大，齿墩前后的局部水头损失越大，消能率越大。

3 结论

本文主要分析二级齿墩不同间距对水流特性的影响，主要结论如下：

（1）5种间距下时均压强和脉动压强沿水流方向的分布规律近似，均在第一、二级齿墩处波动较大。随齿墩间距的增大，第二级齿墩前的时均压强有所增大，第二级齿墩后的脉动压强系数逐渐减小。

（2）齿墩间距为2.7D时流量系数最大，各方案在Re大于1.8x10后，流量系数基本不再变化。对比5种方案，齿墩间距越大，流量系数越小，说明过流能力越弱。

（3）随着齿墩间距的增大，管道中流速分布趋于均匀，二级齿墩式消能工的局部阻力系数和消能率均增大，大于6.7D时消能效果较好。

（4）齿墩间距从2.7D增大到6.7D时，两齿墩间的相互影响会对消能工的过流能力、压强特性及消能率产生影响。当齿墩间距大于6.7D时，可以忽略两级齿墩之间的相互影响。

参考文献：

[1]刘善均，杨永全，许唯临，等，洞塞泄洪洞的水力特性研究[J].水利学报，2002，33（7）：42-46.

[2]林秀山，沈凤生，小浪底水利枢纽孔板泄洪消能研究[J].水利水电技术，2000（1）：52-54.

[3]夏庆福，倪汉根，洞塞消能的数值模拟[J].水利学报，2003，34（8）：37-42.

[4]白兆亮，李琳，有压管道中孔板相对间距对局部阻力系数的影响及其机理研究[J].水电能源科学，2015，33（1）：177-182.

[5]薛冬，田淳，断面收缩比对齿墩式内消能工消能效率的影响[J].水电能源科学，2014，32（4）：84-87.

[6]张泽，田淳，张婷，齿墩数量对齿墩式内消能工消能率影响试验[J].水利水电科技进展，2016，36（1）：40-43.

[7]张婷，田淳，李永业，等，齿墩状内消能工的消能及压力特性[J].排灌机械工程学报，2014，32（2）：136-139.

【责任编辑张华岩】