工業循環冷卻水流量計在有限流動水域浮體結構對水流結構的影響
點擊次數：2054 發布時間：2021-09-04 02:04:12
摘要（yào）:基於物理模型試（shì）驗，研究浮體（tǐ）結構在有限流動水域運行過（guò）程中對下遊水流流動結構產生的影響。在不同浮體結構（gòu）位置（zhì）及來流條件下，對下遊水流結構特征斷麵的流速分布、流速不均勻係數以及回流（liú）區長度進行了測量分析。結果表明:浮體結構位（wèi）置對流速分布及流速不均勻係數存在明顯影響;來流條（tiáo）件的改變同樣對兩者有較大的影響，其（qí）影（yǐng）響隨（suí）著來流（liú）流量的增大而（ér）增大;回流區的長度受（shòu）浮體結構位置以及來流流量影響都較大。在實際工程中（zhōng），應（yīng）重（chóng）點關（guān）注浮體結構位置及來流流量變化引起的水（shuǐ）流流動結構改變。
浮體結構閘門（mén）作為一種新（xīn）型的環境友好型閘門在平原水利防（fáng）洪工程中得到廣泛的應（yīng）用（yòng）。受邊界以及流動特性的影響，有限流動水域中的浮體結構水動（dòng）力變化更為複雜，易導致浮體結構傾覆，從而影響工程安全。水流結構的變化對浮體結構穩定性起到關鍵作用。邢（xíng）殿錄等對比無限和有限水域，認為有限（xiàn）水域中（zhōng）邊界的存在影響（xiǎng）浮體結構的水動力係數。陸彥分（fèn）析浮箱門在靜水和動水（shuǐ）中的穩定性及其影響（xiǎng）因素，對浮箱門在運行（háng）過程中的周圍水力（lì）特（tè）性進行描述，並給（gěi）出了增加沉浮穩定性的措施。Johnson等采用物理模型試驗對淹沒狀態下的防波堤在周圍波浪以及水（shuǐ）流作用下的影響進行分析，通（tōng）過3種不同的數（shù）值模型對比並描述了浮式防波堤對（duì）周圍水流流態分布及（jí）波高的影響。傅宗甫等基於水（shuǐ）力學模型試驗，分析了新型浮（fú）體閘在動水中沉浮的水力特性，得到不同位置下影響浮體閘穩定性的因素，同時提出提高（gāo）浮體閘沉（chén）浮安全性的方式。蘇禮邦對浮（fú）體啟閉閘門在流動水域中的運行進行了理論研究和模型（xíng）試驗，得到（dào）浮體門受（shòu）初始潮位影響較大、減小上下遊水頭差可減小浮體門的受力從而提高穩定性的結論，為大型（xíng）浮體門的結（jié）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（le）水流（liú）作用下的淹沒平板的水力荷（hé）載，得到水流對反射係數及作用在平（píng）板上的水平力影響巨（jù）大、對垂直作用力卻影響微小的結論。Venugopal等得到（dào）不同（tóng）浮體（tǐ）結構（gòu）體型以及吃水深度對其表麵受力影響（xiǎng）巨大。崔貞等采用物理模型試驗以及數值模擬對（duì）不同浮體結構在不同水力（lì）特性下的水流（liú）結構以及傾覆性進行研究，研究不同參數對浮體結構的影響，為有限流動水域中浮（fú）體結構的穩定性提供參（cān）考（kǎo）依（yī）據。以上研究大多對浮體結（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。本文通過物理模型試驗，對不同來流條件下（xià）及（jí）不（bú）同位置下的浮體（tǐ）結構在有限動水（shuǐ）作用下的下遊水流結構進行分析。通過對比不同來流以及位置下的水力特性，分別對（duì）特征（zhēng）斷麵的流（liú）速分布特征（zhēng）、斷麵流速的不均勻（yún）係數以及回流區的變化特性進行比（bǐ）較分析，以期為有限水域浮體結構在動水運行過程中的周圍水流變化特性以及其穩定（dìng）性分析（xī）提供依據。
1試驗裝置及參數設計
1．1試驗裝置
為探究浮體（tǐ）結構在不同位置以及不同來（lái）流（liú）流量對下遊水（shuǐ）流結（jié）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（lǐ）模型試（shì）驗(圖1)。浮體結構位於水槽中間區域，通過閘門（mén）調速裝置對（duì）浮體結構的位置進行精確控（kòng）製，對下遊區域流速采用ADV進行測速，並采用工業循（xún）環冷卻水流量計（jì）進（jìn）行流量監測（cè）。
1．2試（shì）驗參數設計
有限（xiàn）水域的（de）浮體結構在不同來流動水中運行時，浮體結構位置的改（gǎi）變會對流場產生影響，從而影（yǐng）響浮體結構的泄流能力以及穩定性。試驗過程中固定浮體結構的體型不變(長L=0.20m，寬B=0.30m，高a=0.10m)，分別選取4種不同來流流量Q及浮體結構位（wèi）置e，控製浮體結構在上、下遊水位（wèi）不變的條件下（xià）進行試驗，具體試驗參數設計及說明見（jiàn）表1以及圖（tú）2。
2結果及分析
來（lái）自上遊的水體經浮體結構的阻擋（dǎng）作用，水流繞流經浮體結構的上部和下部區域通過（guò），並在浮體結構背水麵的下遊區（qū）域形成小範圍回流區，此（cǐ）處水流紊亂，流速（sù）分布（bù）不均勻。試驗過程中，對回流區沿水流方向的長度D(水（shuǐ）槽縱向（xiàng）中心斷麵處，自浮（fú）體結構背（bèi）水麵（miàn）到沿水流方向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結構下遊區域（yù）回流區中心點所在（zài）斷麵進行流速測（cè）量對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。
2．1不同浮體位（wèi）置對斷麵流速分（fèn）布的影響
圖4橫坐標為斷麵水流方（fāng）向流速（sù），縱坐標（biāo）為測（cè）點垂向位置與下遊水位的（de）比（bǐ）值y/H'。隨著浮體結構位置的上升，*小斷（duàn）麵流速位置同（tóng）樣上升。以圖3(a)為例，當e=0.02m時，下遊斷麵位置自下而上呈現先減小、後增（zēng）大的趨勢，在y/H'=0.40時流速達到*小，隨著浮體（tǐ）結構位置的上升，*小流速呈（chéng）現向上偏移的（de）趨勢。在斷麵位置y/H'=0.20時（shí），隨著e的增大，流速呈現（xiàn）增大的趨勢。當e較小（xiǎo）時，流經浮體結構下部（bù）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下出現回流區;隨著e上升（shēng），主流偏向浮（fú）體（tǐ）結構下部區域，流速增大。與（yǔ）y/H'=0.20的（de）流速分布正好相反，當y/H'=0.80時，流速分布隨著浮體位（wèi）置的增大（dà）而（ér）減小。隨著e的增大，通過（guò）浮體結構下部（bù）泄（xiè）流的水體增多，主流開始向下偏移。試驗過程中，浮體結構處於淹沒狀態，流速的分布隨（suí）著浮體位置的改變呈現上大（dà）、中小（xiǎo）、下大（dà）的分布趨（qū）勢，在浮體結構下遊區（qū）域形成（chéng）回流區，回流區的位置隨著浮體結構的上升而上升。
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，斷麵*小流速發生的位置相同，發生在（zài）浮體結構下遊回流區位置。隨著（zhe）來流流量的增（zēng）大，流經浮（fú）體結構下泄的水流（liú）流速在上層和下層水（shuǐ）體中呈現增大的趨勢。浮體結構位置不變（biàn），由於受到浮體（tǐ）結構的擠壓，上遊來流分別經過浮體結（jié）構上部、下部進行泄流，因此在下遊區域的上層、下層水體中，流速較大;受浮體結構的（de）阻擋，浮體結構下遊區域形（xíng）成回流區，流速較（jiào）小。試驗過程中，由於控製（zhì）浮（fú）體結構所（suǒ）在水域的上遊、下（xià）遊水位不發（fā）生（shēng）變化，因此隨著來流流（liú）量的增大（dà），流速呈現增大的（de）趨勢。
2．3特征流速以（yǐ）及不均勻係數
流速沿（yán）斷麵分布的均勻特性可（kě）以通過流（liú）速分布不均勻係數進行（háng）表征，通過所選取斷麵*大流速和*小流速的差值與該斷麵平均流速的比值，δ值（zhí）越（yuè）大表明浮體結構的存在對水流斷（duàn）麵流速的分布產生的影響較大。表2中，當來流流量相同時，流速的不均勻係數多數隨e的（de）增大而減小。浮體結構（gòu）位置較小（xiǎo）時，主流為浮體結構上部的水流。隨著浮體結構位置的上升，來自上遊的水體逐漸分成浮體結構上部和下部的兩股（gǔ）主流，流速分布的不均性減小。浮體（tǐ）結（jié）構位置及所處水位條件相同時（shí），來流流量的增（zēng）大，區域的平均（jun1）流速增大，因此流速不均勻性減小。
2．4回流區（qū）長度分析
表3中，當來流流量較（jiào）小時(Q=0．015m3/s)，回流區的長度D隨著浮體結構位置（zhì）的增大逐漸增大;當來流流（liú）量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區（qū）的長度卻隨（suí）著浮體結構（gòu）位置的（de）增大呈（chéng）現減小的趨勢。試驗過程中，當浮體結構位置較高且來流較小時，浮體結構上下（xià）部區域（yù）的主流流速（sù）較小，回流區範圍較大;浮體（tǐ）結構位置不變（biàn）時，來流流量增大，回流區長度減小。來流增加，下泄水（shuǐ）流流速較大，並迅速（sù）將回流區內的水流帶入下遊區域，因此回流區（qū）長度反而呈現減（jiǎn）小趨勢。
3結（jié）論
a．浮體結（jié）構下遊（yóu）回流區水（shuǐ）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區域（yù），且主流隨著（zhe）浮（fú）體位置的變化而發生偏（piān）移。
b．來流（liú）流量的增大會引起整體流速增（zēng）大，而*小流（liú）速發生位置幾乎不受影響。
c．隨著浮體結構位（wèi）置的增大，流速的不均勻係數多數（shù）呈減小趨勢。
d．不同位置的浮體結構（gòu）對回流區的（de）範圍存在影響，且隨著流量的變化而發生變化:流（liú）量（liàng）較小時(Q=0.015m3/s)，隨（suí）著位置（zhì）的增大回（huí）流區長（zhǎng）度增大;流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區長度呈現減小趨勢。在實際（jì）工程中，應注意由於浮體結構（gòu）位（wèi）置引起的水流結構改變（biàn），並通過合（hé）理調控來流流量確保浮體的安全。
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1試驗裝置及參數設計
1．1試驗裝置
為探究浮體（tǐ）結構在不同位置以及不同來（lái）流（liú）流量對下遊水（shuǐ）流結（jié）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（lǐ）模型試（shì）驗(圖1)。浮體結構位於水槽中間區域，通過閘門（mén）調速裝置對（duì）浮體結構的位置進行精確控（kòng）製，對下遊區域流速采用ADV進行測速，並采用工業循（xún）環冷卻水流量計（jì）進（jìn）行流量監測（cè）。
1．2試（shì）驗參數設計
有限（xiàn）水域的（de）浮體結構在不同來流動水中運行時，浮體結構位置的改（gǎi）變會對流場產生影響，從而影（yǐng）響浮體結構的泄流能力以及穩定性。試驗過程中固定浮體結構的體型不變(長L=0.20m，寬B=0.30m，高a=0.10m)，分別選取4種不同來流流量Q及浮體結構位（wèi）置e，控製浮體結構在上、下遊水位（wèi）不變的條件下（xià）進行試驗，具體試驗參數設計及說明見（jiàn）表1以及圖（tú）2。
2結果及分析
來（lái）自上遊的水體經浮體結構的阻擋（dǎng）作用，水流繞流經浮體結構的上部和下部區域通過（guò），並在浮體結構背水麵的下遊區（qū）域形成小範圍回流區，此（cǐ）處水流紊亂，流速（sù）分布（bù）不均勻。試驗過程中，對回流區沿水流方向的長度D(水（shuǐ）槽縱向（xiàng）中心斷麵處，自浮（fú）體結構背（bèi）水麵（miàn）到沿水流方向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結構下遊區域（yù）回流區中心點所在（zài）斷麵進行流速測（cè）量對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。
2．1不同浮體位（wèi）置對斷麵流速分（fèn）布的影響
圖4橫坐標為斷麵水流方（fāng）向流速（sù），縱坐標（biāo）為測（cè）點垂向位置與下遊水位的（de）比（bǐ）值y/H'。隨著浮體結構位置的上升，*小斷（duàn）麵流速位置同（tóng）樣上升。以圖3(a)為例，當e=0.02m時，下遊斷麵位置自下而上呈現先減小、後增（zēng）大的趨勢，在y/H'=0.40時流速達到*小，隨著浮體（tǐ）結構位置的上升，*小流速呈（chéng）現向上偏移的（de）趨勢。在斷麵位置y/H'=0.20時（shí），隨著e的增大，流速呈現（xiàn）增大的趨勢。當e較小（xiǎo）時，流經浮體結構下部（bù）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下出現回流區;隨著e上升（shēng），主流偏向浮（fú）體（tǐ）結構下部區域，流速增大。與（yǔ）y/H'=0.20的（de）流速分布正好相反，當y/H'=0.80時，流速分布隨著浮體位（wèi）置的增大（dà）而（ér）減小。隨著e的增大，通過（guò）浮體結構下部（bù）泄（xiè）流的水體增多，主流開始向下偏移。試驗過程中，浮體結構處於淹沒狀態，流速的分布隨（suí）著浮體位置的改變呈現上大（dà）、中小（xiǎo）、下大（dà）的分布趨（qū）勢，在浮體結構下遊區（qū）域形成（chéng）回流區，回流區的位置隨著浮體結構的上升而上升。
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，斷麵*小流速發生的位置相同，發生在（zài）浮體結構下遊回流區位置。隨著（zhe）來流流量的增（zēng）大，流經浮（fú）體結構下泄的水流（liú）流速在上層和下層水（shuǐ）體中呈現增大的趨勢。浮體結構位置不變（biàn），由於受到浮體（tǐ）結構的擠壓，上遊來流分別經過浮體結（jié）構上部、下部進行泄流，因此在下遊區域的上層、下層水體中，流速較大;受浮體結構的（de）阻擋，浮體結構下遊區域形（xíng）成回流區，流速較（jiào）小。試驗過程中，由於控製（zhì）浮（fú）體結構所（suǒ）在水域的上遊、下（xià）遊水位不發（fā）生（shēng）變化，因此隨著來流流（liú）量的增大（dà），流速呈現增大的（de）趨勢。
2．3特征流速以（yǐ）及不均勻係數
流速沿（yán）斷麵分布的均勻特性可（kě）以通過流（liú）速分布不均勻係數進行（háng）表征，通過所選取斷麵*大流速和*小流速的差值與該斷麵平均流速的比值，δ值（zhí）越（yuè）大表明浮體結構的存在對水流斷（duàn）麵流速的分布產生的影響較大。表2中，當來流流量相同時，流速的不均勻係數多數隨e的（de）增大而減小。浮體結構（gòu）位置較小（xiǎo）時，主流為浮體結構上部的水流。隨著浮體結構位置的上升，來自上遊的水體逐漸分成浮體結構上部和下部的兩股（gǔ）主流，流速分布的不均性減小。浮體（tǐ）結（jié）構位置及所處水位條件相同時（shí），來流流量的增（zēng）大，區域的平均（jun1）流速增大，因此流速不均勻性減小。
2．4回流區（qū）長度分析
表3中，當來流流量較（jiào）小時(Q=0．015m3/s)，回流區的長度D隨著浮體結構位置（zhì）的增大逐漸增大;當來流流（liú）量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區（qū）的長度卻隨（suí）著浮體結構（gòu）位置的（de）增大呈（chéng）現減小的趨勢。試驗過程中，當浮體結構位置較高且來流較小時，浮體結構上下（xià）部區域（yù）的主流流速（sù）較小，回流區範圍較大;浮體（tǐ）結構位置不變（biàn）時，來流流量增大，回流區長度減小。來流增加，下泄水（shuǐ）流流速較大，並迅速（sù）將回流區內的水流帶入下遊區域，因此回流區（qū）長度反而呈現減（jiǎn）小趨勢。
3結（jié）論
a．浮體結（jié）構下遊（yóu）回流區水（shuǐ）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區域（yù），且主流隨著（zhe）浮（fú）體位置的變化而發生偏（piān）移。
b．來流（liú）流量的增大會引起整體流速增（zēng）大，而*小流（liú）速發生位置幾乎不受影響。
c．隨著浮體結構位（wèi）置的增大，流速的不均勻係數多數（shù）呈減小趨勢。
d．不同位置的浮體結構（gòu）對回流區的（de）範圍存在影響，且隨著流量的變化而發生變化:流（liú）量（liàng）較小時(Q=0.015m3/s)，隨（suí）著位置（zhì）的增大回（huí）流區長（zhǎng）度增大;流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區長度呈現減小趨勢。在實際（jì）工程中，應注意由於浮體結構（gòu）位（wèi）置引起的水流結構改變（biàn），並通過合（hé）理調控來流流量確保浮體的安全。