一種小底坡流道摻氣方法及二維燕尾坎結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種泄水流道摻氣方法及二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，主要解決小底坡泄水流道的摻氣問(wèn)題，陡坡流道亦可適用。
【背景技術(shù)】
[0002]泄洪流道一般單寬流量大、流速高，容易產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象，需要設(shè)置摻氣減蝕設(shè)施。根據(jù)布置形式不同，摻氣設(shè)施可分為坎式、槽式、突擴(kuò)式、貼坡式和混合式。摻氣坎具有體型簡(jiǎn)單、便于通氣孔布置等特點(diǎn)，工程上常采用布置摻氣坎的方式解決摻氣減蝕問(wèn)題。高速水流越過(guò)摻氣坎后產(chǎn)生分離區(qū)，水舌與底板之間形成摻氣空腔，空腔通過(guò)兩側(cè)通氣孔與大氣連通。但當(dāng)流道底板坡度較小、來(lái)流Fr數(shù)較低時(shí)，拋射水舌與底板及側(cè)墻撞擊后會(huì)產(chǎn)生回溯水流，形成空腔積水，嚴(yán)重時(shí)甚至淹沒(méi)摻氣空腔，導(dǎo)致?lián)綒庠O(shè)施功能失效，引發(fā)建筑物空化空蝕破壞。研究表明，摻氣坎后空腔回水的形成與空腔末端射流流速方向與底板夾角(射流沖擊角)有密切關(guān)系，而在來(lái)流條件確定條件下，射流沖擊角主要由摻氣坎體型及底板坡度決定。底板坡度較小時(shí)，射流沖擊角在產(chǎn)生旋滾水流的臨界值附近，此時(shí)摻氣坎體型設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接決定摻氣效果好壞。
[0003]對(duì)于陡坡水流(如龍?zhí)ь^或龍落尾段)，重力在垂直底板方向分量小，沿水流方向分量大，因此流速較高，拋射水舌落點(diǎn)處射流沖擊角一般小于回水產(chǎn)生的臨界值，不易產(chǎn)生回流積水，摻氣效果好。但對(duì)于小底坡泄流建筑物，重力在垂直底板方向分量大，在水流方向分量小，水流流速也相對(duì)陡坡小，拋射水舌下緣面曲率較大，射流沖擊角一般大于或等于回溯水流產(chǎn)生的臨界值空腔積水必然存在。底板坡度越緩，射流沖擊角越大，回流積水越嚴(yán)重，摻氣空腔越不穩(wěn)定，甚至不能形成空腔。此外，小底坡水流Fr數(shù)一般較低，受重力和邊壁阻力影響十分顯著，坎上水體流速分布也不均勻，常規(guī)二維直線挑坎后拋射水舌下緣面沿中心和兩側(cè)拋物線曲率和挑距均有差異，中心拋射距離遠(yuǎn)而高、兩側(cè)近而低，落點(diǎn)呈凸型分布，落點(diǎn)線上射流沖擊角大小不一，總有旋滾水流產(chǎn)生；邊壁水流受邊壁阻力影響，從邊壁滑落產(chǎn)生積水。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，為了避免底板和邊壁旋滾水流產(chǎn)生，增加兩側(cè)水舌挑距，使得兩側(cè)水舌挑距大于等于中心挑距，有利于消除空腔積水現(xiàn)象。前人處理小底坡?lián)綒鈫?wèn)題即遵循了以上原則，多采用垂向變化的三維異型挑坎，如U型、V型、凹型等，通過(guò)增加挑坎兩側(cè)挑坎坡度增加兩側(cè)水舌挑距，調(diào)整拋射角度和水舌在底板上的落點(diǎn)位置消除積水。其中，三維連續(xù)V型坎效果較好，已被工程采用，但是三維體型復(fù)雜，在過(guò)流突變處很容易產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象，而且平均坎高較高，對(duì)拋出水體垂向擾動(dòng)大，對(duì)水位適應(yīng)范圍小。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種流道底板摻氣方法及二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，主要解決小底坡泄水流道摻氣難題，也可用于坡度較大情況。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、對(duì)拋出水體垂向擾動(dòng)小、不易產(chǎn)生空化空蝕破壞、摻氣效果好的特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種二維燕尾型摻氣方法，其特征在于在常規(guī)二維連續(xù)直線型挑坎末端開(kāi)一凹型槽，凹型槽輪廓線可為折線或曲線(圓弧、橢圓、拋物線或多次曲線等，只要末端開(kāi)凹型缺口均屬于此類)，因形似燕尾，故稱燕尾坎。燕尾坎用以調(diào)整坎頂水舌拋射角度和坎后水舌落點(diǎn)分布，讓中心水體比兩側(cè)水體提前挑出，減小了出坎水舌中部流速方向與底板夾角，使拋射水舌下緣面的中部比兩側(cè)曲線曲率更小，且挑距稍短，可減小水舌中部流速較高水體的射流沖擊角(拋射水舌落點(diǎn)處流速方向與底板夾角)，有利于統(tǒng)一拋射水舌與貼坡射流沖擊角。開(kāi)槽寬深比與水舌落點(diǎn)分布及水舌中部射流沖擊角直接相關(guān)，深度越深，水舌中部挑距越短，拋物線曲率越小，射流沖擊角度也越小，反之亦然。當(dāng)調(diào)整后拋射水舌的射流沖擊角依然大于產(chǎn)生旋滾水流臨界值，將此體型與挑坎后貼坡聯(lián)合使用，效果更佳。
[0007]本發(fā)明的二維燕尾型摻氣坎，其特征在于包含相互銜接的直線型挑坎前段和凹槽型挑坎尾段，凹槽型挑坎尾段位于直線型挑坎前段下游端，直線型挑坎前段和燕尾段(凹型槽挑坎尾段)的過(guò)流面為同一平面。
[0008]本發(fā)明凹型摻氣坎體型簡(jiǎn)單、對(duì)拋出水體垂向擾動(dòng)小、耐空化空蝕、適應(yīng)范圍廣、摻氣效果好。
[0009]
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種“V”型凹型槽剖面示意圖。
[0011]圖2是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種“V”型凹型槽平面示意圖。
[0012]圖3是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種三段折線凹型槽剖面示意圖。
[0013]圖4是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種三段折線凹型槽平面示意圖。
[0014]圖5是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種曲線(圓弧)型缺口剖面示意圖。
[0015]圖6是二維直線型挑坎末端開(kāi)一種曲線(圓弧)型缺口平面示意圖。
[0016]
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的介紹。
[0018]實(shí)施例一
如圖1、圖2所示，本發(fā)明是在傳統(tǒng)二維連續(xù)直線型挑坎末端開(kāi)“V”字型燕尾槽(S卩“V”字型缺口)，形成由直線型挑坎前段和燕尾段(“V”字型燕尾段)組成的二維燕尾坎。燕尾槽對(duì)稱于流道中心線開(kāi)設(shè)，V型角度α —般為90° -160°。設(shè)置燕尾槽后，中心水體比兩側(cè)水體提前挑出，水舌拋物線呈現(xiàn)出兩側(cè)遠(yuǎn)中間近，曲率兩側(cè)大中間小，減小了中部出坎流速方向與泄水流道底板夾角，可使中間水舌底緣線與底板夾角最小且先于兩側(cè)水體接觸底板，減小了中部的射流沖擊角，且利于將兩側(cè)落點(diǎn)處產(chǎn)生積水及時(shí)“帶走”。燕尾坎開(kāi)槽深度需物理模型試驗(yàn)研究確定，目的是調(diào)整坎后水舌挑距盡量相同或中間比兩側(cè)稍近，落點(diǎn)呈“一”或“V”字型分布較優(yōu)。圖中L1表示燕尾坎的長(zhǎng)度，Η1表示燕尾坎坎高，^表示燕尾坎坡度，i。表示原底板坡度。
[0019]實(shí)施例二如圖3-4所不，本實(shí)施例摻氣結(jié)構(gòu)與實(shí)施例一類似，不同在于在一般二維連續(xù)直線型摻氣坎末端開(kāi)凹型槽形式不同，凹型槽輪廓線可為折線或曲線(圓弧、橢圓、拋物線或多次曲線等)。圖3-4為一種三段折線凹型槽，圖5-6為一種曲線(圓弧)凹型槽。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二維燕尾型摻氣方法，其特征在于在常規(guī)二維連續(xù)直線型挑坎末端開(kāi)一凹型槽，讓中心水體比兩側(cè)水體提前挑出，減小出坎水舌中部流速方向與泄水流道底板夾角，使拋射水舌下緣面的中部比兩側(cè)曲線曲率更小，且挑距稍短。2.如權(quán)利要求1所述二維燕尾型摻氣方法，其特征在于凹型槽輪廓線為折線或曲線。3.如權(quán)利要求1所述二維燕尾型摻氣方法，其特征在于凹型槽對(duì)稱于流道中心線開(kāi)設(shè)。4.如權(quán)利要求1所述二維燕尾型摻氣方法，其特征在于凹型槽為“V”字型凹槽。5.如權(quán)利要求4所述二維燕尾型摻氣方法，其特征在于“V”字型凹槽的開(kāi)槽深度滿足坎后水舌挑距盡量相同或中間比兩側(cè)稍近，落點(diǎn)呈“一”或“V”字型分布。6.一種二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，其特征在于包含相互銜接的直線型挑坎前段和凹型槽挑坎尾段，凹型槽挑坎尾段位于直線型挑坎前段下游端，直線型挑坎前段和凹型槽挑坎尾段的過(guò)流面為同一平面。7.如權(quán)利要求6所述二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，其特征在于凹型槽輪廓線為折線或曲線。8.如權(quán)利要求6所述二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，其特征在于凹型槽對(duì)稱于流道中心線開(kāi)設(shè)。9.如權(quán)利要求6所述二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，其特征在于凹型槽為“V”字型凹槽。10.如權(quán)利要求9所述二維燕尾坎結(jié)構(gòu)，其特征在于“V”字型凹槽的開(kāi)槽深度滿足坎后水舌挑距盡量相同或中間比兩側(cè)稍近，落點(diǎn)呈“一”或“V”字型分布。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種小底坡泄水流道的二維燕尾型摻氣方法及二維燕尾坎體型，主要解決小底坡?lián)綒饣亓鞣e水問(wèn)題。在常規(guī)二維連續(xù)直線型挑坎末端平面上開(kāi)一凹型槽（形似燕尾，故稱燕尾坎），通過(guò)凹型槽的形式和尺寸調(diào)整坎頂水舌拋射角度和坎后水舌落點(diǎn)分布，讓中心水體比兩側(cè)水體提前挑出，減小出坎水舌中部流速方向與底板夾角，使拋射水舌下緣面的中部比兩側(cè)曲線曲率更小，且挑距稍短，有利于統(tǒng)一拋射水舌與貼坡的射流沖擊角，從而減小摻氣空腔回流積水。本發(fā)明主要用以解決小底坡泄水流道摻氣回流積水難題，具有體型簡(jiǎn)單、耐空化空蝕、對(duì)拋出水體垂向擾動(dòng)小、適應(yīng)范圍廣、摻氣效果好的特點(diǎn)。
【IPC分類】E02B8/06
【公開(kāi)號(hào)】CN105256771
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510697281
【發(fā)明人】吳時(shí)強(qiáng), 王芳芳, 王威, 吳修鋒, 周杰, 沙海飛, 薛萬(wàn)云, 戴江玉, 曹昊, 陳惠玲
【申請(qǐng)人】水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院
【公開(kāi)日】2016年1月20日
【申請(qǐng)日】2015年10月23日