模型设计与布置的优化方案

(1)模型设计。采用正态模型,按重力相似准则设计。几何比尺Lr=30,其他有关参数的比尺为:流速比尺Vr=L1/2r=5.478;流量比尺Qr=L5/2r=4929.5;时间比尺Tr=L1/2r=5.478;糙率比尺nr=L1/6r=1.763。模型中的主要参数值见表8.3。

表8.2　三峡水电站进水口模型试验工况

表8.3　模型主要参数值

模型中管道上弯段以后的雷诺数可计算如下:

式中 V——管道平均流速;

Rem——模型水流雷诺数;

υ——20℃水温时水的运动粘滞系数,υ=1.003×10-6m2/s。

根据深式进水口工作条件分析,即使在闸门全开的情况下,压力管道的沿程水头损失所占比重也不会很大,而主要是局部水头损失[2]。

对有压管道局部水头损失来说,一般当其雷诺数大于2×105时,即可认为局部水头损失系数为常数[3],此时,只有局部的体型影响其损失系数,因此,为使模型进水口及压力管道的局部水头损失阻力系数可直接换算到原型,这就要求各个局部阻力部分的模型制造准确,加工误差要小。

对有压管道沿程水头损失来说,当模型中水流的雷诺数Rem＞1.1×106时,水流属于阻力平方区[17],此时沿程水头损失系数将不随雷诺数而变化。而根据参考资料[18],当Rem＞7×105时即可认为沿程水头损失不随雷诺数而变化。

由此可以看出,模型中压力管道的雷诺数接近于沿程水头损失阻力平方区的下限,符合阻力相似条件。并且,对深式进水口压力管道来说,沿程阻力损失在其总水头损失中所占比重很小。(www.xing528.com)

如若估计混凝土进口段的边壁糙率n=0.014,有压管道的内壁糙率为n=0.012,由前述可知,要求的模型糙率应为:进口段nm=0.008,有压管道段nm=0.0068。

选用质地优良的有机玻璃来制造压力管道模型,其糙率可达n=0.008[2],基本上可满足上述对模型糙率的要求。

(2)模型布置。清华大学和长科院模型布置分别见图8.3～图8.5。清华大学的模型考虑到试验室的现状及模型设计要求,在压力管道有机玻璃模型的上游修建了砖混结构的水槽两个,平面尺寸均为长4m,宽1.5m。有机玻璃模型(包括拦污栅、进水口、闸门井及压力管道在内的一个机组的单孔及双孔模型)均接于水槽尾部。每个水槽的首部均有独立的供、排及稳水系统。考虑到编号不同机组上游库底高程的差异,在模型中水槽底部高程选用相当原型的70.0m,用以代表各机组的平均情况。

为了更好地观测拦污栅至进水口前缘的水流流态及可能发生的旋涡现象,模型中的拦污栅、进口段、门槽及渐变段等均置于水槽之外,拦污栅及门槽两侧均以透明的有机玻璃板镶嵌,以便观测。每条压力管道尾部,除做至蜗壳进口外,另加长1.31m,末段做30cm长的渐缩段与φ30.5cm的铸铁阀门相接,用以控制机组流量。由于原型拦污栅片厚度为0.015m,故模型栅片用0.5mm厚的钢片焊制,周围镶有厚为1.5mm的钢框。

图8.3　水电站进水口清华大学水工模型试验布置

(a)模型A—A剖面布置图;(b)模型平面布置图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

图8.4　水电站进水口长科院水工模型试验布置(单位:m)

(a)模型剖面布置图;(b)模型平面布置图

图8.5　单孔进水口Ⅰ方案体型尺寸

(a)A—A剖面图;(b)B—B剖面图
(注:高程、桩号单位:m,尺寸单位:cm)

长科院试验模拟的流道包括拦污栅、进口段和压力钢管段,其后接3.3m长的管道与控制流量和库水位的平板闸门相连接,模型总长8.6m。模拟水库的水箱尺寸为5m×4m×3.5m,水箱底高程约相当原型79m。