如何优化地球般的进水口前流态？

(1)单孔进水口方案(单Ⅰ)。清华大学观测结果为,上游水位145.0m时,进口处水面比较平稳,栅墩后局部水面略有波动,偶有转动较慢的表面旋涡。放下拦污栅后,表面波动有所减弱,闸门井水面平稳。

上游水位140.0m时,进口处水面仍比较平稳,栅墩后局部水面波动有所加大,除表面旋涡外,偶见尺寸很小的立轴旋涡,但不挟带空气进入管道。放下拦污栅后表面波动及表面旋涡均有所减弱。

上游水位降至136～137m时,拦污栅墩后、进口处水面阵发性立轴旋涡出现的频率明显加大,而且旋涡深度也明显变大,常挟带空气进入压力管道。据此可知进水口前的临界淹没水深大于27.0m(计算到进水口底高程110.0m以上水深)。

图8.6　单孔Ⅰ方案135m水位时模型中立轴旋涡带气入管道示意图

图8.6为单孔(单Ⅰ方案)135m水位时立轴旋涡带气入管道示意图。上游水位135.0m时,进口处水面除有表面旋涡外,阵发性挟气立轴旋涡经常出现,旋涡的表面尺寸有所加大(模型中旋涡直径可达3～4cm左右,换算至原型为90～120cm左右)。位于中间栅孔后的立轴旋涡最大。左右两侧栅孔后的立轴旋涡尺寸均有所减小,立轴旋涡的尺寸在垂向长短不一,长者挟带空气进入管道,空泡在管道中随水流下泄。栅墩上游水面平稳,无明显旋涡。放下拦污栅后表面旋涡及立轴旋涡无明显减弱,但过栅后的水面波动则有所减小,侧向水面坡度减缓。清华大学及长科院对上述观测结果基本一致。(www.xing528.com)

除此之外,长科院还观测了上游水位为133m、流量为870m3/s条件下,进水口前的流态[4]。该条件下,进水口前出现的旋涡为随机性非连续的表面旋涡,栅后水面紊动,模型上最大旋涡直径为1～3cm,最大深度为1～3cm,约10～15s出现一次,出现后很快消失。

清华大学还观测了上游水位130.0m时,进口处水面较为紊乱,波动较大,水面形成大量的旋涡。闸门井中水面也开始有较大的波动。放下拦污栅后,水面波动仍未见明显减弱,水流仍较紊乱。

(2)双孔进水口方案(双Ⅰ)。清华大学观测结果为,上游水位145.0m时,进口处水面平稳,栅墩后局部水面波动很小,表面旋涡微弱。放下拦污栅后,栅对水流流态影响不明显。上游水位135.0m时,进口处水面较为平稳,栅墩后经常有较弱的表面旋涡,有时有阵发性小尺寸(模型中直径小于1cm)立轴旋涡,但不形成漏斗,且不挟带空气进入压力管道。放下拦污栅后,水面趋于平稳,但表面旋涡及立轴旋涡并未明显地减弱或消失。上游水位130.0m时,进口处水面较为紊乱,水面有波动,表面旋涡增多,阵发性的立轴旋涡出现在两孔顶曲线的壁面附近,其大小在模型中约为1～2cm,但因其深度较浅,并不形成漏斗,也不挟带空气入管。放下拦污栅后水面波动减弱,只在栅墩尾部出现旋涡使水面有局部波动。表面旋涡未见明显减弱,不挟气的立轴旋涡仍时有发生。

长科院对上游水位为137.0～139.0m、135.0m及130.0m时进水口前的流态进行了观测,其结果与上述情况基本一致[4]。

(3)进水口前流态试验小结。单孔方案:上游水位低于137.0m时,管道进口前水面紊动及波动均趋增大,时有阵发性挟带空气的立轴旋涡发生,随着上游水位增高或流量的减小,其发生频率有所减少,甚至不发生带气的立轴旋涡;双孔方案:上游水位低于135.0m时,进口处水面开始出现波动,特别是上游水位低于130.0m时,水面较为紊乱,也偶有立轴旋涡发生,但因其垂向长度较短,并不挟带空气进入压力管道,上游水位高于135.0m时,水面趋于平稳,流态优于单孔方案。