考虑掺气效应的单股挑流水舌动水荷载相似律研究

Dynamic load of flow when flood discharge is hard to estimate for its complicity of formation, so it is always transferred from model test statistics using similarity law. Scale of models of energy dissipation is always about 1：100~1:150.actually,for low flow speed in the model,some hydraulic phenomenon,like aeration and flow creft , is hard to oberserve in the model,so errors of statistics between prototype and model is inevitable. In order to make further research in similarity law of flow dynamic load, hydraulic parameter of flow and fluctuating pressure in stilling basin when dischage is studied basing on big scale model,and chages of hydraulic parameters induced by dissimilarity is analyzed, some modification parameters are introduced in order to obtained similarity law which is more accurate.

高坝泄洪时高速水流在消力池内形成的动水荷载成因复杂且难以预测，因此大部分动水荷载均要通过模型试验实测获取，再运用相似准则换算到原型。目前大部分泄洪消能模型采用比尺都为1：100~1:150，试验数据通过重力相似律转换到原型。事实上模型中水流流速约为原型的1/12~1/10，由于水舌在挑落过程中的裂散、掺气等现象与流速非线性相关，导致模型上难以很好模拟此类水力现象，因此若简单按照重力相似准则转换，则试验数据与原型实际数据不可避免的产生偏差。为了深入研究该比尺效应，本项目拟基于已有的大比尺模型（白鹤滩泄洪消能1:35、1:50、1:100）对相同泄洪工况下水舌的相关水力学参数、消力池水流脉动荷载特性等进行研究，分析由于掺气不相似引起的水流各方面特性变化，并在重力律的基础上引入若干修正系数，从而得到同类型模型试验更为准确的相似准则。

通过在1:100模型、1:50模及1:35模型上对单股挑流水舌入水时水垫塘掺气浓度、水舌入射区掺气浓度及动水荷载的测试，较为详尽的描述了挑流水舌的裂散现象，并通过对比探讨了模型比尺变化对水垫塘掺气及动水荷载的影响，主要可以得出以下结论：.1、.1:100模型上挑流水舌横向扩散效果明显，水舌裂散现象不明显；1:50模型及1:35模型上水舌入水呈现扁平柱状，同时水舌裂散程度较高，入水时水舌缝隙较大，含气量更多。.2、.1:100水舌入水时带入气体最多，而1:35模型水舌入水时带入气体最少，说明水舌带入的气体并非主要来源于入水前的含气量，而主要来源于水舌入水时的剪切卷吸作用。.3、.射流区不同高程掺气浓度平均值与射流运动距离的-1.5次方成反比，当水深到达一定程度以后，气泡脱离射流流速作用范围不再下潜，掺气浓度不再符合该规律。.4、.随着模型比尺的增加，挑流水舌出口处Re数增大，水舌入水形态发生变化，从而导致动水压力发生变化。从变化趋势来看，脉动压力随着Re数增大而减小，当Re数超过1×106后基本不再变化；时均压力随着Re数增大而降低，当Re数超过1×106后基本不再变化。以此规律推测，原型中水舌形态应该较为接近大比尺模型的水舌形态，原型中动水荷载也应与大比尺模型动水荷载较为接近。.项目使用常规比尺模型及大比尺模型对比得出结论，研究成果可为模型模拟技术及更准确的预测原型动水荷载提供参考。