水利工程論文-灣塘水電站泄流霧化的數(shù)值計(jì)算摘要：根據(jù)底流消能泄流霧化的機(jī)理，應(yīng)用量綱分析方法，得到水霧霧源量的計(jì)算關(guān)系式；在霧源為連續(xù)線源和任意風(fēng)向的條件下，利用高斯擴(kuò)散方程，研究了水霧在峽谷內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律；結(jié)合霧雨自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程、碰并過程、霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)過程，得到霧源下游流場(chǎng)水霧濃度、溫度、相對(duì)濕度和降水強(qiáng)度的分布；對(duì)灣塘水電站底流消能霧化進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。關(guān)鍵詞：底流消能霧化數(shù)值計(jì)算水電站采用不同的泄流消能方式，對(duì)水霧的產(chǎn)生機(jī)理、形態(tài)及霧量多寡，存在較大的差異。對(duì)于挑流消能工程，泄流霧化會(huì)造成以下危害：廠房進(jìn)水、斷電、交通中斷和邊坡失穩(wěn)。自20世紀(jì)70年代以來，國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者對(duì)挑流霧化問題進(jìn)行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果；但對(duì)于底流消能工程，其泄流霧化問題很少研究。本文就灣塘水電站底流消能霧化的數(shù)計(jì)算作一探討。1底流消能霧化的數(shù)學(xué)模型1洪水在下泄和消能過程中，由于水流與空氣邊界的相互作用，使得水流自由面失穩(wěn)和水流紊動(dòng)加劇2，進(jìn)而部分水體以微小水滴的形式進(jìn)入空氣中，產(chǎn)生某種形式的霧源。霧源在自然風(fēng)和水舌風(fēng)的綜合作用下，向下游擴(kuò)散，使水霧分布在下游的一定空間中。之后，水霧經(jīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換過程和碰并過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛甑?，以及水霧和水汽之間發(fā)生霧滴的蒸發(fā)或凝結(jié)過程。如圖1所示，因雨滴數(shù)較霧滴少得多，故在本數(shù)學(xué)模型中不考慮雨滴的蒸發(fā)過程和水汽凝結(jié)為雨滴的過程，在圖1中用帶虛線箭頭來表示。1.1水霧霧源量的計(jì)算根據(jù)霧源產(chǎn)生的機(jī)理不同，底流消能霧化的霧源可分為二個(gè)；第一是溢流壩面自摻氣而產(chǎn)生霧源；第二是水躍區(qū)強(qiáng)迫摻氣而產(chǎn)生霧源。理論分析3和原型觀測(cè)4都表明，后者為主要霧源，故在本數(shù)學(xué)模型中僅考慮第二霧源，而不計(jì)第一霧源對(duì)下游的影響。如圖2所示，高速水流流經(jīng)水躍區(qū)發(fā)生強(qiáng)迫摻氣，其中躍首處旋渦最強(qiáng)，可以認(rèn)為摻氣點(diǎn)發(fā)生在此處，從而形成水氣兩相流。被旋渦挾持進(jìn)水中的空氣形成氣泡，氣泡在水中隨著旋渦運(yùn)動(dòng)，有的氣泡脫離自由面的束縛以水滴、水霧的形式躍出水面，從而形成霧源5。根據(jù)底流消能6的霧化機(jī)理，得到下式：式中：ql為單位長(zhǎng)度線源的水霧霧源量，kg/(sm)；為水的密度；Lj為水躍的長(zhǎng)度，Lj=10.8hc(Fr1-1)0.93，hc為躍首處的水深；vc為躍首處的流速；q為單寬流量，m2/sm；u2為躍首處的脈動(dòng)速度均方根；uw為自然風(fēng)和水舌風(fēng)的合成風(fēng)速。選取、Lj、vc為基本物理量，令qe=Ljvc，利用量綱分析方法式(2)可得：根據(jù)灣塘水電站霧化原型觀測(cè)的數(shù)據(jù)4，應(yīng)用逐步回歸分析方法7，試建立式(3)的回歸模型：以ql/qe為因變量，以Fr1、Nt1和uw/vc作為可能的自變量，計(jì)算表明，在顯著性水平為0.05，F(xiàn)r1、Nt1和uwvc這三個(gè)量對(duì)因變量qlqe的影響都不顯著；以ql為因變量，以qe作為可能的自變量，在顯著性水平為0.05，qe對(duì)因變量ql的影響顯著。故對(duì)ql和qe作線性回歸，求得：1.2水霧擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型1.2.1基本假設(shè)(1)水霧霧源位于躍首的上方，且為連續(xù)線源；(2)水霧擴(kuò)散滿足高斯擴(kuò)散模式，擴(kuò)散參數(shù)采用布魯克海汶擴(kuò)散(BNL)參數(shù)系統(tǒng)，時(shí)空為小尺度模式；(3)水霧在峽谷內(nèi)擴(kuò)散，水霧在下墊面發(fā)生沉降和反射；(4)地形采用VALLEY(山谷)修正模式。1.2.2風(fēng)向與線源垂直時(shí)水霧的擴(kuò)散8圖4是一個(gè)高架連續(xù)線源擴(kuò)散的示意圖，坐標(biāo)系oxyz的y軸與壩軸線平行，x軸為水流方向，z軸為垂直向上，點(diǎn)o位于躍首上方，且高程等于下游水位。設(shè)P為下游空間的任意一點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為x、y、z，其水霧的濃度為：式中：y為水霧在y方向的濃度分布方差；z為水霧在z方向的濃度分布方差；h為水霧線源的高度，h=(051)(hc-hc)，hc為hc的共軛水深。y1為水霧線源起點(diǎn)y坐標(biāo)；y2為水霧線源終點(diǎn)y坐標(biāo)；為下墊面的反射系數(shù)?？紤]到峽谷內(nèi)盛行山谷風(fēng)，并且其風(fēng)向變化不大。故擴(kuò)散參數(shù)選用布魯克海紋擴(kuò)散(BNL)參數(shù)系統(tǒng)(陣風(fēng)度等級(jí)為D)：1.2.3風(fēng)向與線源成任意角時(shí)水霧的擴(kuò)散在坐標(biāo)系oxyz中，假定自然風(fēng)速為uw1，其風(fēng)向與x軸正向成1角；水舌風(fēng)速為vjw，其風(fēng)向沿x軸的正向，則自然風(fēng)速和水舌風(fēng)速的合成速度為uw，其風(fēng)向與x軸正向成2角，規(guī)定：從x軸的正向開始，繞點(diǎn)o逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角為正值；反之，角為負(fù)值，如圖5所示。建立風(fēng)坐標(biāo)系ox1y1z，使x1軸與uw平行，坐標(biāo)系oxyz、ox1y1z的z軸相重合。將線源在y1軸上投影，分別得到虛擬線源在y1軸上的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)：y01=y1cos2；y02=y2cos2。這樣，合成風(fēng)速uw與線源成任意角的情況就轉(zhuǎn)化為合成風(fēng)速uw垂直流過虛擬線源的情況。參照式(8)，得到下游任意一點(diǎn)的水霧濃度分布：1.2.4地形的修正模式因峽谷內(nèi)盛行山谷風(fēng)，并且其風(fēng)向變化不大，