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挑流泄流雾化机理解析

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:过坝水流引起坝下游雾化是水利工程中特有的现象。水利枢纽挑流泄流雾化的雾源来自三个方面:水舌空中掺气扩散、空中碰撞和入水喷溅,雾化情况比底流泄流形式严重得多。原型观测成果[18]表明,挑流泄流雾源主要来自水舌空中碰撞和落水附近的喷溅。根据挑流泄流雾化各区域的形态特征和形成降雨的强弱,将挑流泄流雾化分为两个区域,即溅水区和雾流扩散区[19]。图15.8挑流泄流雾化分区示意图

挑流泄流雾化机理解析

过坝水流引起坝下游雾化是水利工程中特有的现象。水利枢纽挑流泄流雾化的雾源来自三个方面:水舌空中掺气扩散、空中碰撞和入水喷溅,雾化情况比底流泄流形式严重得多。

泄水建筑物射出的高速水舌在空气中运动,由于水和空气的相互作用,在水舌和空气边缘形成边界层,并且在交界面上产生涡。当水舌边界层与空气边界层交汇后,涡体发生混掺和交换,分裂成更小的涡,加剧水舌的紊动,使得水舌在横向和纵向不断扩散,形成掺气水舌。随着分裂破碎,水舌的掺气越来越充分,外观如白色棉絮,分裂出的水块和水滴在沿程运动中进一步分裂成更小的水滴或水汽。直径大的水滴落到水面或岸坡形成降雨,直径小的水滴和水汽飘逸在空中形成水雾。

当泄流水舌在空中碰撞时,动能损失明显增加,水舌高度紊动和变形,把边缘含气浓度较高的水团带到水舌核心中去,加速水舌的裂散。经过碰撞后的水舌,断面的掺气程度进一步增加,从水舌飞逸出的水滴和水汽更多,在水舌碰撞点前后范围内形成降雨和水雾。

水舌以较高的速度射向水垫,当水舌和水垫刚接触时,由于表面张力的作用,水舌来不及排开水垫中的水,产生类似两固体相撞击的现象,在接触面处有较大的撞击力。撞击后,水舌将落水处水体排开、压弹形成喷溅。由于水垫并非完全柔性,其本身具有较强的压弹效应,因此混掺碎裂的水块入水时不会完全进入下游水垫,而是由于水垫的压弹效应和水块的表面张力作用,使一部分反弹起来,成为喷溅水流向下游及两岸抛射出去。这些水体在水舌风作用下进一步破碎,大直径水滴落入河床及两岸形成降雨;小直径水滴笼罩着河床形成水雾,并在水舌风和自然风的作用下向下游延伸变淡直至消散。(www.xing528.com)

原型观测成果[18]表明,挑流泄流雾源主要来自水舌空中碰撞和落水附近的喷溅。水舌在空中碰撞和入水时,形成强烈的激溅作用,激溅起来的水团或水滴可近似看作弹性体在重力、浮力空气阻力作用下以不同出射角度、速度做抛射运动,这些高速溅起的水团或水滴在一定范围内产生强烈的“水舌风”或“溅水风”,“水舌风”又促进水团或水滴向更远处扩散,即向下游和两岸山坡扩散。根据挑流泄流雾化各区域的形态特征和形成降雨的强弱,将挑流泄流雾化分为两个区域,即溅水区和雾流扩散区[19]。溅水区的范围为水舌空中碰撞点到入水点后的一定范围,包括水舌碰撞区和入水喷溅区;雾流扩散区在溅水区之后,包括雾流降雨区和薄雾区,分区示意图如图15.8所示[20]

图15.8 挑流泄流雾化分区示意图

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