dn50氨水流量計在有限流(liú)動水域浮體結構對水流(liú)結構的影響
點擊次數:1847 發布時間:2021-09-04 02:52:16
摘要:基於物理模型試驗,研究浮體結(jié)構在有限流動水域運行過程中對下遊水流流動結構產生的影響(xiǎng)。在不同浮體結構位置及來流條件下(xià),對下遊水流結構特征斷麵的流速分布、流速不均勻係數以及回流區長度進行(háng)了測量分析。結果表明:浮體結構位置對流速分布及流速不均勻係數存在明顯影響;來流條件的改變同樣對兩(liǎng)者有較(jiào)大的影響,其影響隨著來流流量的增(zēng)大而增大;回流區的長度受(shòu)浮體結構位置以(yǐ)及來流(liú)流量影響都較大。在實際工(gōng)程中(zhōng),應重點關注浮體結構位置及(jí)來流流量變(biàn)化引起的水流流動結構改(gǎi)變。
浮體結構閘(zhá)門作為一種新型的(de)環境(jìng)友好型閘門在平原水利防洪工程中得(dé)到廣泛的應用。受邊界以及流動特性的影響,有限流動水域中的浮體結構水動力變化(huà)更為複雜,易導致浮體結構傾覆,從而影響工程(chéng)安全。水(shuǐ)流結構(gòu)的變化對浮體結構穩定性起(qǐ)到關鍵作用。邢殿錄等對比無限和有(yǒu)限水域,認為有限水域中邊界的存(cún)在影響浮體結構的水動力係數。陸彥分析浮(fú)箱門在靜水和動水中的穩定性及其影響(xiǎng)因素,對浮箱門在運行過程中的周(zhōu)圍水力特性進行描(miáo)述,並(bìng)給出了增加沉浮穩定性的措施(shī)。Johnson等采用物理模型(xíng)試驗對淹沒狀態下的防波堤在周圍波浪以及(jí)水流作用下(xià)的影響進行分析,通過3種不同的數值模型對比並描述了浮式防波堤對周(zhōu)圍水流流(liú)態分布及波高的影響。傅宗甫等基於水力學模型試驗,分析了新型浮體閘在動水中沉浮的水力特性,得到不同位置下影響浮體閘穩定性的因(yīn)素,同時提出提高浮體閘沉浮安全性的方式。蘇禮(lǐ)邦對浮體啟閉閘門在流動水域中的運(yùn)行進行了理論(lùn)研究和模型試(shì)驗,得到浮體門受初始潮位影響較大、減小上下遊水頭差可減(jiǎn)小浮體門的受(shòu)力從而提高穩定性的結論(lùn),為(wéi)大型浮體門(mén)的結構設計和操作運行控製提(tí)供了技術支持(chí)。Rey等采用試驗方法(fǎ)模擬了水流作用下的(de)淹(yān)沒平板的水力荷載,得到水流(liú)對反(fǎn)射係數及作用在平板上的水平力影響巨大、對垂直作用力卻影響微小(xiǎo)的結論。Venugopal等得到不同浮體結構體型以及吃水深度對其表麵受力影響(xiǎng)巨(jù)大。崔貞等采用物理模型試驗以及數(shù)值模擬對不(bú)同浮體結構在不同水力特性下的水流結構以及傾覆性進行研究,研究不同參數對浮體結構的影響,為有限流動水域中浮體結構的穩定性提供參考依據。以上研究大多對浮體結構的(de)穩定(dìng)性及所受作用力(lì)進行研究,對水流結構及其影響因素研究較少。本文通過物理模型(xíng)試驗,對不同來流條(tiáo)件下及不同位(wèi)置下的浮體結構在有限動水作用下的下遊(yóu)水流結構進行分析。通過對比不同來流以及位置(zhì)下的水(shuǐ)力特(tè)性,分別對特征斷麵的(de)流速分(fèn)布特征(zhēng)、斷麵(miàn)流速的(de)不(bú)均勻係數以及回流區的(de)變化特性進行比較分析,以期為有限水域(yù)浮體結構在動水運行過程中的周圍水流變化特性以及其穩定性分析提供(gòng)依據。
1試驗裝置及參數設計
1.1試驗裝置
為探究浮體結構(gòu)在不同位置以及不同來流流量對下遊水流結構(gòu)的影響,在長、寬、高分別為(wéi)10.00m、0.30m和0.50m的有機玻璃水槽中進行物理模型試驗(圖1)。浮體(tǐ)結構位於水槽中間區域,通過閘門調速裝置對浮體結構的位置進行精確控製,對下遊區(qū)域(yù)流速采用(yòng)ADV進行測速,並采用dn50氨水流量計進行流量(liàng)監測。

1.2試驗參數設計
有限水域的浮體結構在不同來流動水中運行時,浮體結構位置的改變會對流(liú)場產生影響,從而影響浮體結(jié)構的泄流能力以及穩定(dìng)性。試驗過程中固(gù)定浮體結(jié)構的體型不變(長L=0.20m,寬B=0.30m,高a=0.10m),分別選取4種不同來(lái)流流(liú)量Q及浮體結構位置e,控製(zhì)浮體結構在上、下遊水位不(bú)變的條件下進行試(shì)驗,具體試驗參數設(shè)計及說明(míng)見(jiàn)表1以及圖2。


2結果及分析
來自上遊的(de)水體經浮體結構的阻擋作用,水流繞流經浮體結構的上部和下部區域通過,並在浮體結構背水(shuǐ)麵的下遊(yóu)區域形成小範圍回流區,此(cǐ)處水流(liú)紊亂,流速分(fèn)布不均勻。試(shì)驗過程中,對回流區(qū)沿水流方向的長度D(水槽縱向中心斷麵(miàn)處,自浮體結構背水麵到沿水流方向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結(jié)構下遊區域回流區中心點所在斷麵(miàn)進行流速測量(liàng)對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。

2.1不同浮體位(wèi)置對斷麵流速分布的影響
圖4橫坐標(biāo)為斷麵水流方向流速(sù),縱坐標為測點(diǎn)垂向位置與下遊水位的比值y/H'。隨著(zhe)浮體結構位置(zhì)的上升,*小斷麵流速位置同(tóng)樣上升。以圖3(a)為例,當e=0.02m時(shí),下遊斷麵位置自下而上呈(chéng)現先減小、後增大的趨勢,在y/H'=0.40時流速達(dá)到*小,隨著浮體(tǐ)結(jié)構(gòu)位置的上升,*小流速呈現向上偏移的(de)趨勢。在斷麵位置y/H'=0.20時,隨著e的增大,流速呈現增(zēng)大的趨勢。當e較小時,流經浮體(tǐ)結構下部進行下泄的水流(liú)較少,主流出(chū)現(xiàn)在浮(fú)體結構的上部,且在浮體結構(gòu)的阻擋作用下出現回流區;隨著(zhe)e上升,主流偏向浮體結構下部區域,流速增大。與y/H'=0.20的流速分布(bù)正好相反,當y/H'=0.80時,流速分布隨著浮體位置的增大而減小。隨著e的(de)增大,通過浮體結(jié)構下部泄流的水體增多,主(zhǔ)流開始向下(xià)偏移。試驗(yàn)過程中,浮體結構處於淹沒狀態,流速的分布隨著浮體位置的改變呈現上大、中小(xiǎo)、下大的分布趨勢,在浮體結(jié)構下遊區域形成回流區,回流區的位置隨著浮(fú)體結構的上升(shēng)而上升(shēng)。

2.2不同來流流量對斷(duàn)麵流速分布的影響
由圖5可知,當e相同時,斷麵*小流速發生的位置相同,發生在浮體結構下遊(yóu)回流區位置。隨著(zhe)來流流量的增大,流經浮體結構下泄的水流流速在上(shàng)層(céng)和下層水體中呈現增大的(de)趨勢。浮體結構位置不變,由於受到浮體結構的擠壓,上遊來(lái)流分別經過浮體結構上部、下部進行泄流,因此在下遊區域的上(shàng)層、下層水體中,流速較大;受浮體結構的阻擋,浮體結構下遊區域形成回流區,流速較小。試(shì)驗過程中,由於控製浮體結構所在水域的上遊(yóu)、下遊(yóu)水位(wèi)不發生變化,因此隨著來流流量的增(zēng)大,流速(sù)呈現增大的趨勢。

2.3特征流速以(yǐ)及不均勻係數
流速(sù)沿斷麵分布的均勻特性可以通過流速(sù)分布不均勻係數進行表征,通過(guò)所選取斷麵*大流速和*小流速的差(chà)值與該斷麵平均流速的比值,δ值越大表明浮體結構的存(cún)在對水流斷麵流速的分布產生的影響較大(dà)。表2中,當來流流(liú)量相同時,流速的(de)不均勻係(xì)數多數隨e的增大而減小。浮體結構位置較小時,主流為浮體結構上部的水流(liú)。隨著浮體結構位置的上升,來自上遊的水體逐漸分成浮體(tǐ)結構上部和下部的兩股主流,流速分布的(de)不均性減小。浮體結構位置及(jí)所處水位條件相同時,來流(liú)流量的增大(dà),區域的平均流速增大,因此流速不均勻性減小。

2.4回流區(qū)長度分析
表3中,當來流流量較小時(Q=0.015m3/s),回流區的長度D隨著浮(fú)體結構位置的增大逐(zhú)漸增大;當來流流量較大時(Q=0.024m3/s),回(huí)流區(qū)的長度卻隨著浮體結構位置的增大呈現減小的趨勢。試驗過程中,當浮體結構位置較(jiào)高且來(lái)流較小時,浮體(tǐ)結構上下部區域(yù)的主(zhǔ)流流速較小,回流區範圍較大(dà);浮體結構位置不(bú)變(biàn)時,來流流量增大,回流區長度減小。來流增加,下泄水流流速較大,並迅速(sù)將回流區內的水流帶入下遊(yóu)區域,因此回流區(qū)長度(dù)反而呈現減小趨勢。

3結論
a.浮體結構下(xià)遊回流區水流流速分布呈(chéng)現(xiàn)上大、中小、下大的分布規律,受浮(fú)體結構位置的影響(xiǎng)較明顯;*小流速出現在浮體結構背水麵的下遊區域,且主流隨著浮體位置的變(biàn)化而發生偏移。
b.來流流量的(de)增大會引起整體流速(sù)增大,而*小流速發生位置幾乎不受影響。
c.隨著浮體(tǐ)結構位置(zhì)的增大,流速的不均勻係數多數呈減小(xiǎo)趨勢。
d.不同位置的浮體結構對回流區的範圍存在影響,且隨著流量的變化而發生變化:流量較小時(Q=0.015m3/s),隨著位置的增大回(huí)流區長度(dù)增大;流量(liàng)較大時(Q=0.024m3/s),回流區長度呈現減(jiǎn)小趨勢。在實際工程中,應注意由於浮體結構位置引起的水流結構改(gǎi)變,並通過合理調控來流流量確保浮體的安全。
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1試驗裝置及參數設計
1.1試驗裝置
為探究浮體結構(gòu)在不同位置以及不同來流流量對下遊水流結構(gòu)的影響,在長、寬、高分別為(wéi)10.00m、0.30m和0.50m的有機玻璃水槽中進行物理模型試驗(圖1)。浮體(tǐ)結構位於水槽中間區域,通過閘門調速裝置對浮體結構的位置進行精確控製,對下遊區(qū)域(yù)流速采用(yòng)ADV進行測速,並采用dn50氨水流量計進行流量(liàng)監測。

1.2試驗參數設計
有限水域的浮體結構在不同來流動水中運行時,浮體結構位置的改變會對流(liú)場產生影響,從而影響浮體結(jié)構的泄流能力以及穩定(dìng)性。試驗過程中固(gù)定浮體結(jié)構的體型不變(長L=0.20m,寬B=0.30m,高a=0.10m),分別選取4種不同來(lái)流流(liú)量Q及浮體結構位置e,控製(zhì)浮體結構在上、下遊水位不(bú)變的條件下進行試(shì)驗,具體試驗參數設(shè)計及說明(míng)見(jiàn)表1以及圖2。


2結果及分析
來自上遊的(de)水體經浮體結構的阻擋作用,水流繞流經浮體結構的上部和下部區域通過,並在浮體結構背水(shuǐ)麵的下遊(yóu)區域形成小範圍回流區,此(cǐ)處水流(liú)紊亂,流速分(fèn)布不均勻。試(shì)驗過程中,對回流區(qū)沿水流方向的長度D(水槽縱向中心斷麵(miàn)處,自浮體結構背水麵到沿水流方向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結(jié)構下遊區域回流區中心點所在斷麵(miàn)進行流速測量(liàng)對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。

2.1不同浮體位(wèi)置對斷麵流速分布的影響
圖4橫坐標(biāo)為斷麵水流方向流速(sù),縱坐標為測點(diǎn)垂向位置與下遊水位的比值y/H'。隨著(zhe)浮體結構位置(zhì)的上升,*小斷麵流速位置同(tóng)樣上升。以圖3(a)為例,當e=0.02m時(shí),下遊斷麵位置自下而上呈(chéng)現先減小、後增大的趨勢,在y/H'=0.40時流速達(dá)到*小,隨著浮體(tǐ)結(jié)構(gòu)位置的上升,*小流速呈現向上偏移的(de)趨勢。在斷麵位置y/H'=0.20時,隨著e的增大,流速呈現增(zēng)大的趨勢。當e較小時,流經浮體(tǐ)結構下部進行下泄的水流(liú)較少,主流出(chū)現(xiàn)在浮(fú)體結構的上部,且在浮體結構(gòu)的阻擋作用下出現回流區;隨著(zhe)e上升,主流偏向浮體結構下部區域,流速增大。與y/H'=0.20的流速分布(bù)正好相反,當y/H'=0.80時,流速分布隨著浮體位置的增大而減小。隨著e的(de)增大,通過浮體結(jié)構下部泄流的水體增多,主(zhǔ)流開始向下(xià)偏移。試驗(yàn)過程中,浮體結構處於淹沒狀態,流速的分布隨著浮體位置的改變呈現上大、中小(xiǎo)、下大的分布趨勢,在浮體結(jié)構下遊區域形成回流區,回流區的位置隨著浮(fú)體結構的上升(shēng)而上升(shēng)。

2.2不同來流流量對斷(duàn)麵流速分布的影響
由圖5可知,當e相同時,斷麵*小流速發生的位置相同,發生在浮體結構下遊(yóu)回流區位置。隨著(zhe)來流流量的增大,流經浮體結構下泄的水流流速在上(shàng)層(céng)和下層水體中呈現增大的(de)趨勢。浮體結構位置不變,由於受到浮體結構的擠壓,上遊來(lái)流分別經過浮體結構上部、下部進行泄流,因此在下遊區域的上(shàng)層、下層水體中,流速較大;受浮體結構的阻擋,浮體結構下遊區域形成回流區,流速較小。試(shì)驗過程中,由於控製浮體結構所在水域的上遊(yóu)、下遊(yóu)水位(wèi)不發生變化,因此隨著來流流量的增(zēng)大,流速(sù)呈現增大的趨勢。

2.3特征流速以(yǐ)及不均勻係數
流速(sù)沿斷麵分布的均勻特性可以通過流速(sù)分布不均勻係數進行表征,通過(guò)所選取斷麵*大流速和*小流速的差(chà)值與該斷麵平均流速的比值,δ值越大表明浮體結構的存(cún)在對水流斷麵流速的分布產生的影響較大(dà)。表2中,當來流流(liú)量相同時,流速的(de)不均勻係(xì)數多數隨e的增大而減小。浮體結構位置較小時,主流為浮體結構上部的水流(liú)。隨著浮體結構位置的上升,來自上遊的水體逐漸分成浮體(tǐ)結構上部和下部的兩股主流,流速分布的(de)不均性減小。浮體結構位置及(jí)所處水位條件相同時,來流(liú)流量的增大(dà),區域的平均流速增大,因此流速不均勻性減小。

2.4回流區(qū)長度分析
表3中,當來流流量較小時(Q=0.015m3/s),回流區的長度D隨著浮(fú)體結構位置的增大逐(zhú)漸增大;當來流流量較大時(Q=0.024m3/s),回(huí)流區(qū)的長度卻隨著浮體結構位置的增大呈現減小的趨勢。試驗過程中,當浮體結構位置較(jiào)高且來(lái)流較小時,浮體(tǐ)結構上下部區域(yù)的主(zhǔ)流流速較小,回流區範圍較大(dà);浮體結構位置不(bú)變(biàn)時,來流流量增大,回流區長度減小。來流增加,下泄水流流速較大,並迅速(sù)將回流區內的水流帶入下遊(yóu)區域,因此回流區(qū)長度(dù)反而呈現減小趨勢。

3結論
a.浮體結構下(xià)遊回流區水流流速分布呈(chéng)現(xiàn)上大、中小、下大的分布規律,受浮(fú)體結構位置的影響(xiǎng)較明顯;*小流速出現在浮體結構背水麵的下遊區域,且主流隨著浮體位置的變(biàn)化而發生偏移。
b.來流流量的(de)增大會引起整體流速(sù)增大,而*小流速發生位置幾乎不受影響。
c.隨著浮體(tǐ)結構位置(zhì)的增大,流速的不均勻係數多數呈減小(xiǎo)趨勢。
d.不同位置的浮體結構對回流區的範圍存在影響,且隨著流量的變化而發生變化:流量較小時(Q=0.015m3/s),隨著位置的增大回(huí)流區長度(dù)增大;流量(liàng)較大時(Q=0.024m3/s),回流區長度呈現減(jiǎn)小趨勢。在實際工程中,應注意由於浮體結構位置引起的水流結構改(gǎi)變,並通過合理調控來流流量確保浮體的安全。
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