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工業(yè)酒精流量計(jì)在有限流(liú)動水域浮體結構對水流結構的影響

點擊次數:1717 發布(bù)時間:2020-08-15 06:01:22
摘要:基於物理模型(xíng)試驗(yàn),研究浮體結構在有限流動(dòng)水域運行(háng)過程中對下遊水(shuǐ)流流動結構產生的影響。在不同浮體結構位置及來流條件下,對下遊水流結構特征斷麵的流速分布、流速不均勻係(xì)數以及回(huí)流(liú)區長(zhǎng)度進行了(le)測量分析。結果表明:浮(fú)體結構位置對(duì)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者有較大的影響(xiǎng),其影響隨著來流流量的增大而增大;回流區的長度受浮體結構位置(zhì)以及來流(liú)流(liú)量影響都較大。在實際工程中,應重點關注浮體結構位置及來(lái)流流量變化引起的水流流動結構改變。
浮體結構(gòu)閘門作(zuò)為(wéi)一種新(xīn)型的環境友好型閘門在(zài)平原水利防洪工(gōng)程中得到廣泛的應用。受邊界以及流動特性的影響,有限流動水(shuǐ)域中的浮體結構水動力變化更為複雜,易(yì)導致浮(fú)體結構傾覆,從而影響工程安全。水流結構的變(biàn)化對浮體(tǐ)結構穩定性(xìng)起(qǐ)到關鍵作用。邢殿錄等對比(bǐ)無限和有限水域,認(rèn)為有限水域中(zhōng)邊界的存在影響浮體結(jié)構的水動力(lì)係數。陸彥分析浮箱門在靜水和動水中的穩(wěn)定性及其影響因素,對浮箱門在運行過程中的周圍水力特性進行描述,並給出了增加(jiā)沉浮穩定性的(de)措施。Johnson等采用物理模型試驗對淹沒狀態下(xià)的防波堤在周圍波浪以(yǐ)及水流作用下的影響(xiǎng)進行分析,通(tōng)過(guò)3種不同的(de)數值模型對比並描(miáo)述了(le)浮式防(fáng)波堤對周(zhōu)圍水流(liú)流態分(fèn)布及波高的影響。傅宗甫等基(jī)於水力學模型試驗,分(fèn)析(xī)了新型浮體閘(zhá)在動水中沉浮的水力特性,得(dé)到不同位(wèi)置下影響浮體閘穩(wěn)定性的因素,同時提出提高(gāo)浮體閘沉浮安全性的方式(shì)。蘇禮邦對浮體(tǐ)啟閉閘門在流動水域中的運(yùn)行進行了理(lǐ)論研究和模型試驗,得到浮體門受初始潮位影響(xiǎng)較大、減小上下遊水頭差可減(jiǎn)小(xiǎo)浮體門的受力從而提高穩定性(xìng)的結論,為大型浮體門的結構設計和操作運行控製提供了技術支持。Rey等采用試驗方法模擬了水流作用下的淹沒平板(bǎn)的水(shuǐ)力(lì)荷載,得到水流對反射係數及作用在平板上(shàng)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(bú)同浮體(tǐ)結(jié)構體型以及吃水深(shēn)度對其表麵受力影響巨(jù)大。崔貞等采用物理模型試驗以及數值模擬對不同浮體結構在不同水力(lì)特性下的水(shuǐ)流結構以及傾覆性進行研究,研究不同參數對浮體結構(gòu)的影響,為有限流動水域中浮體結構(gòu)的穩定性提供(gòng)參考依據。以上研究大(dà)多對浮體結(jié)構的穩定性及所受作用力進行研究,對水流結構及其影響因素研究較少。本文(wén)通過物理模型試驗,對不同(tóng)來流條(tiáo)件下及不同位置下的浮體結構在有限動水(shuǐ)作用下的下遊水(shuǐ)流結構進行分(fèn)析。通過(guò)對比不同來流以及位置下的水力特性,分別對特征斷麵的流(liú)速分布特征、斷麵流速(sù)的不均勻係數以及回(huí)流區(qū)的變化特(tè)性進行比較分析,以期為有限水域浮體結構在(zài)動水運行過程中的周圍水流變化特性以(yǐ)及其穩定性分析提供依據。
1試驗裝置及參數設計
1.1試(shì)驗裝置
為探究浮體結構在不(bú)同位置以及(jí)不同來流(liú)流量對(duì)下遊水流結構的影響,在長、寬、高分別為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)。浮體結構位於水槽中間區域,通過閘門調速裝(zhuāng)置對浮體結構的位置進行精(jīng)確控製,對下遊區域流速采用ADV進行測速,並采用工業酒精流量計進(jìn)行流(liú)量(liàng)監測。

1.2試(shì)驗參數(shù)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(jié)構(gòu)位置(zhì)的改變會對流場產生影響,從而影響浮體(tǐ)結構的泄流(liú)能力以及穩定性。試驗過(guò)程中固定浮體結構(gòu)的體型不變(長L=0.20m,寬B=0.30m,高a=0.10m),分別選取4種(zhǒng)不同來流流量Q及浮(fú)體結構位置e,控製浮體結構在上、下(xià)遊水位不變的條件下進(jìn)行試驗,具體(tǐ)試驗參數設計及說明見表1以(yǐ)及圖2。


2結果及分析
來自上遊的水體經浮體結構的阻擋(dǎng)作用,水流繞流經浮體結(jié)構的上部和下部區域(yù)通過,並在浮體結構背水(shuǐ)麵(miàn)的下遊區(qū)域形成小範圍回流(liú)區,此處水流紊亂(luàn),流速分布不均(jun1)勻。試(shì)驗過程中,對回流區沿(yán)水流方向的長度D(水槽縱向(xiàng)中心斷(duàn)麵處,自浮體結構背水麵到沿水流方向(xiàng)流速為0的*遠(yuǎn)位置點)進行量測。選取浮體(tǐ)結構下遊(yóu)區域回流區中心點(diǎn)所在斷麵進行流速測(cè)量對比。流速(sù)測量斷麵位置A-A見圖3。

2.1不同浮體(tǐ)位置對斷麵流速分布的影響
圖4橫坐標為斷(duàn)麵水(shuǐ)流方向流速,縱坐標為測點垂向位(wèi)置與(yǔ)下遊水位的比值y/H'。隨著浮體結構位置的上升,*小斷麵流(liú)速位置(zhì)同樣上(shàng)升。以圖3(a)為例,當e=0.02m時,下遊(yóu)斷麵位置自下而(ér)上呈現先減小、後增大的(de)趨勢,在y/H'=0.40時流速達到*小,隨(suí)著浮體結構位置的上升,*小流速呈(chéng)現向上偏(piān)移的趨勢(shì)。在斷(duàn)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(jīng)浮體結構下部進行下泄的水流較少(shǎo),主流出現在浮體結構的上部,且在浮體結構的阻擋作用(yòng)下出現回流區;隨著e上升,主流偏向浮體結構下部區(qū)域,流速(sù)增大。與y/H'=0.20的流(liú)速(sù)分布正好相反,當y/H'=0.80時,流速分布隨著(zhe)浮體位置的增大而減小。隨著e的增大,通過浮體結構下(xià)部泄流的(de)水體增多,主流開始向下偏移。試(shì)驗過程(chéng)中,浮體結構處於淹沒狀態,流(liú)速的分布隨著浮(fú)體(tǐ)位置的(de)改變呈現上大、中小、下大的分布趨勢,在浮體結構下(xià)遊區域形成回流區,回流區的位置隨著浮體結構的上升而上(shàng)升。

2.2不同來流流量對斷麵流速分布的影響
由圖5可知,當e相同時(shí),斷麵*小流(liú)速發生的(de)位置相同,發生在浮(fú)體結構下遊回流區位置。隨著來流流量的增大,流經浮體結構(gòu)下泄的水(shuǐ)流(liú)流速在上層和下層水體中呈(chéng)現增大的趨勢。浮體結構位置不變,由於受到(dào)浮體結構的擠(jǐ)壓(yā),上遊來流分別經過浮體結構上(shàng)部、下(xià)部進行泄流,因(yīn)此在下遊區域的上層、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(jiào)小。試(shì)驗過程中,由於控(kòng)製浮體結(jié)構所在水(shuǐ)域的上遊、下遊水位不發生變化,因此隨著來流流量的增大,流速呈現(xiàn)增大的趨勢。

2.3特(tè)征流速以及不均勻係數
流速(sù)沿斷麵分布的均勻特性可以通過流速分布不均勻係數進行表征,通(tōng)過所選取斷麵*大流速和*小流速的差(chà)值與該斷(duàn)麵平均流速的比值,δ值越大表(biǎo)明浮體結構的存在對水流斷麵流速的分布產生的影(yǐng)響較大。表2中,當來流(liú)流(liú)量相同時,流速的不均(jun1)勻係數多數隨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(bù)的水流。隨著浮(fú)體結構位置的(de)上(shàng)升,來自上遊的水體逐漸分成浮體(tǐ)結構上部(bù)和下部的兩股主流,流速(sù)分(fèn)布的不均性減小。浮體結構位置及所處水位條件相同時,來流流量(liàng)的增大,區域的平均流速增大(dà),因(yīn)此流(liú)速不均勻性減小。

2.4回流區長度分析
表3中,當來流流量(liàng)較小時(Q=0.015m3/s),回流區的長度D隨(suí)著浮體結構位置的增大逐漸(jiàn)增大;當來流流量較大(dà)時(Q=0.024m3/s),回流區的長度卻隨著浮體結構(gòu)位置的增大呈(chéng)現減小的趨勢。試驗過(guò)程中,當浮體結(jié)構位置較高(gāo)且來流較小時,浮體結構上下部區域的主流流速較小,回流區範圍較大;浮體結構位置不變時,來(lái)流流(liú)量增大,回流區長度減小。來流增加,下泄水流(liú)流速較大,並迅速將回流區內的(de)水流帶(dài)入(rù)下遊區域(yù),因此回流區長度反(fǎn)而呈現減小趨勢。

3結論
a.浮(fú)體結構下遊回流區水流流速分布呈現上大、中小、下大的分布規律,受浮體結構位置的影響較明顯;*小流速出現在浮體結構背水麵的下遊(yóu)區域,且主(zhǔ)流隨著浮體位(wèi)置的變化而發生偏移。
b.來流流量的增大會引起整體流(liú)速增大,而*小流速發生位置幾乎不受影響。
c.隨著浮體結構(gòu)位置(zhì)的增大,流速的(de)不(bú)均勻係數多數呈減小趨勢(shì)。
d.不同位置的浮體結構對回流區(qū)的範圍(wéi)存(cún)在影響,且隨著流量的變化而發生(shēng)變化:流量較小時(Q=0.015m3/s),隨著位置的增大回流區長度增大;流量較大時(Q=0.024m3/s),回流區長度呈現減小趨勢。在(zài)實際工程中,應注意(yì)由於浮體(tǐ)結構位置引起的水流結構改變,並通過合理調控來流流量確保浮體的安全(quán)。

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