由于淹没冲击射流的卷吸作用,主射流流量沿程增加,射流流速沿程衰减,水垫起到消能作用。另一方面,在一定的下游水深条件下,射流到达底板时,尚具有一定的流速,它所挟带的动能一部分转化为压能,即对底板的冲击压强,这对底板的稳定将产生影响。
冲击区内边壁的时均冲击压强最大,远高于下游水位对底板的水压力,时均冲击压强由最大点(冲击滞点)向上下游两侧迅速下降,压力梯度很大。时均冲击压强自冲击区向上游区域逐渐减小,但变幅不大,在下游区域沿水流方向冲击压强先减小后逐渐增大至二道坝位置。在横河向冲击压强则呈现中间大,两边小的分布,如图3.30所示。
图3.30 某工程典型工况时均冲击压强的分布
图3.31 某工程典型工况上表面脉动压强的分布(www.xing528.com)
对于冲击区底壁面上的脉动压强,由于跌落水舌的作用,无论时均值还是脉动值都可能达到相当大的数值。由于冲击区水股发生极不稳定的摆动和强烈的紊动作用,产生了强烈的脉动压强,最大脉动压强幅值最高可达到0.4~0.5倍的上下游水位差,但随着下游水垫深度的增大而急剧衰减,并且脉动的分布沿底壁面趋向均化。消力塘中射流水舌作用下的底板,所受到的脉动压强可以达到与时均动水压强同数量级。图3.31和图3.32为某工程典型工况上下表面脉动压强分布,由图可知上下表面脉动压强在滞点处值最大、沿上下游方向逐渐衰减,横河向则呈现中间大、两边小的分布,其分布与时均压强分布相似。下表面各测定的脉动压强与上表面各测点的脉动压强相比均有所减弱被均化,平均减小幅度在40%左右。
对挑跌流消力塘来说,射流冲击区范围内的脉动压力积分尺度较小,壁面射流区的积分尺度较大,射流冲击区与壁面射流区的过渡区域存在L x/L≈1.0的可能性。图3.33为某工程典型工况下脉动壁压积分尺度Lx的模型实验统计结果(已按重力律换算成原型值),以冲击滞点为横坐标0点,各点距冲击滞点的距离为横坐标x(H z为上下游水位差)。可以看出,水舌冲击区附近及其下游壁面射流区的脉动壁压积分尺度基本一致,约为8m左右,而上游壁面射流区的脉动壁压积分尺度随着距冲击滞点距离的增加而逐渐增大,基本大于15m。该工程采用的板块尺寸(L=14.2m)与脉动壁压积分尺度比值为1.0的位置位于上游壁面射流区,这里上表面的脉动压力较小,因此不会产生太大的脉动上举力。下游由于二道坝的阻断作用,具有和消力塘同尺度的大涡旋没有形成,脉动压力积分尺度较板块尺寸低得多,所以下游板块都处在较安全的区域。
图3.32 某工程典型工况上下表面脉动压强的分布
图3.33 某工程典型工况脉动壁压积分尺度的沿程分布
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