CN109723027B - 一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法，属于水利工程领域，包括以下步骤：1)消能工分类；2)泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lrⁿ，分别计算表孔和中孔深孔的雨强比尺。本发明优点在于：本发明提供了一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法；提出了泄洪雾化模型缩尺效应与模型几何比尺关系，建立了指数n与模型几何比尺Lr之间的关系，能合理确定不同泄洪方式、消能工体型下雾化模型的雨强比尺Sr，提高了泄洪雾化模型雨强比尺精度。

Description

一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法

技术领域

本发明涉及水工模型试验中雨强比尺的设计，具体是一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺设计的方法，属于水利工程领域。

背景技术

随着我国大批“高水头、大泄量、高功率”的高坝工程建设，泄流雾化问题成为我国水利水电工程建设和运行中急需解决的关键技术难题之一。泄流雾化表现为坝下游局部范围形成超强降雨和雾流弥漫现象，产生的暴雨雨强往往超过大气降雨的极值，可诱发两岸边坡滑坡、威胁水电站输电***的安全运行、造成厂区道路交通中断、影响工作人员和居民的正常生活。因此，对于高坝工程，准确评估其泄洪雾化降雨强度对保障枢纽安全具有极为重要的工程意义。

评估泄洪雾化降雨强度的方法主要有原型观测、物理模型试验及数值模拟计算。原型观测是研究泄洪雾化问题最为直观而可靠的方法，但需在工程建成后方可实施，无法起到预测作用，同时因其涉及面广、观测工作量大，因而资料的完整性较差。数值模拟方法受到泄洪雾化机理模糊、参数不确定性等因素的影响，特别是雾源量无法准确给定，其准确性和可靠性难以满足工程设计要求。目前，物理模型试验方法仍是研究泄洪雾化问题相对成功的方法。泄洪雾化涉及到水舌的空中破碎、掺气、扩散、碰撞、入水激溅等多个物理过程，属于气、液两相流范畴，泄洪雾化物理模型既需要遵守重力相似又需遵循表面张力相似。但在泄洪雾化模型试验中往往只能抓住主要因素，遵循重力相似准则，保证水流主要物理量相似，而忽略一些次要因素，使得泄洪雾化物理模型具有明显的缩尺效应，模型试验得到的雨强转换到原型时并不遵循重力相似准则。

以往研究普遍认为泄洪雾化雨强比尺Sr与几何比尺Lr呈指数关系：Sr＝Lrⁿ，物理模型试验中常常将Sr＝Lr^1.53即指数n＝1.53，做为泄流雾化雨强的外包络线控制值。但依据雾化原型观测结果，各工程不同比尺模型的雾化雨强相似比尺离散性大，可相差10-100倍，控制值与实际的原型观测结果存在较大差异，尤其是当几何比尺Lr较大时n值的变化将会直接导致雨强比尺几十倍乃至几百倍的变化。为了提高泄洪雾化模型中雨强比尺精度并控制模型试验成本，需要提出一种新的雨强比尺Sr设计的方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种雨强比尺Sr设计的方法，以减小因模型缩尺效应而引起的试验误差，提高泄洪雾化模型雨强尺精度。

为此，本发明的上述目的通过采用以下技术方案来实现：

一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法，所述用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr的设计方法依次包括以下步骤：

1)消能工分类；

按照按泄洪方式、消能工体型将消能工分为a表孔泄洪和b中孔深孔以及泄洪洞泄洪；

进一步将a表孔泄洪分为a1表孔宽尾墩和a2表孔挑流消能两类。

2)发明人通过创造性的试验和分析得出：泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lrⁿ关系；

对于a1表孔宽尾墩：

n＝0.5 (1)

Sr＝Lr^0.5 (2)

对于a2表孔挑流消能：

n＝0.43Lr^0.33 (3)

对于b中、深孔和泄洪洞泄洪：

n＝0.04Lr^0.82 (5)

本发明有如下有益效果：

1、本发明提供了一种雨强比尺Sr设计的方法，解决了泄洪雾化模型缩尺效应带来的原、模型雨强差异较大问题。

2、本发明提出了泄洪雾化模型缩尺效应与模型几何比尺关系，建立了指数n与模型几何比尺Lr之间的关系，能合理确定不同泄洪方式、消能工体型下雾化模型的雨强比尺Sr，提高了泄洪雾化模型雨强比尺精度。

附图说明

图1为表孔宽尾墩消能时指数n与Lr之间的关系示意图；

图2为表孔挑流消能时指数n与Lr之间的关系示意图；

图3为中(深)孔和泄洪洞泄洪时指数n与Lr之间的关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例是以本发明技术方案为基础展开的，仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

某工程本包括：坝身4个表孔和5个深孔、右岸1条“龙落尾”泄洪洞组成，表孔采用挑流泄洪消能。泄洪雾化模型几何比尺Lr＝50。

1)按照泄洪方式、消能工体型将坝身4个表孔作为“a表孔泄洪”，5个深孔和右岸1条“龙落尾”泄洪洞作为“b中、深孔以及泄洪洞泄洪”；其中4个表孔为“a2表孔挑流消能”。

2)发明人通过创造性的试验和分析得出：泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lrⁿ关系；

对于a1表孔宽尾墩：

n＝0.5 (1)

Sr＝Lr^0.5 (2)

对于a2表孔挑流消能，4个表孔泄洪时指数n与模型几何比尺Lr满足公式3，雨强比尺按公式4计算：

n＝0.43Lr^0.33 (3)

计算得Sr＝453

对于b中、深孔和泄洪洞泄洪，5个深孔及1条泄洪洞泄洪时指数n与模型几何比尺Lr满足公式5，雨强比尺按公式6计算：

n＝0.04Lr^0.82 (5)

计算得Sr＝48

上述的发明人通过创造性的分析是指：发明人引入了韦伯数We，使得泄洪雾化模型试验中设计雨强比尺Sr时可综合考虑模型几何比尺及水流影响。

对于a1表孔宽尾墩，可忽略水流表面张力影响，近似满足重力相似准则：

n＝0.5 (7)

Sr＝Lr^0.5 (8)

对于a2表孔挑流，4个表孔挑流消能时指数n与水流韦伯数We满足公式9，雨强比尺按公式10计算：

n＝13.537We^-0.362 (9)

计算得Sr＝476

因此该工程在洪雾化模型试验中对表孔进行模拟和设计雨强比尺Sr时可根据公式3、4及9、10计算结果确定Sr＝453～476。

对于b中、深孔和泄洪洞泄洪，5个深孔及1条泄洪洞泄洪时指数n与模型几何比尺We满足公式11，雨强比尺按公式12计算：

n＝103.22We^-0.751 (11)

计算得Sr＝53

因此该工程在洪雾化模型试验中对中、深孔进行模拟时，设计雨强比尺Sr时可根据公式5、6及11、12计算结果确定Sr＝48～53。

实施例二

某工程泄水建筑物由7个溢流表孔组成，表孔均采用宽尾墩消能工，泄洪雾化模型几何比尺Lr＝36。

1)按照按泄洪方式、消能工体型将坝身7个表孔作为a表孔泄洪，且7个表孔为a2表孔宽尾墩消能；

2)发明人通过创造性的试验和分析得出：泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lr ⁿ关系；

对于a1表孔宽尾墩消能7个表孔泄洪时指数n与模型几何比尺Lr满足公式1，雨强比尺按公式2计算：

n＝0.5 (1)

Sr＝Lr^0.5 (2)

计算得Sr＝6

对于a2表孔挑流消能：

n＝0.43Lr^0.33 (3)

对于b中、深孔和泄洪洞泄洪：

n＝0.04Lr^0.82 (5)

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行进行限制，在本发明权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于泄洪雾化模型试验中雨强比尺Sr设计的方法，其特征在于：包括以下步骤：(A1)消能工分类；(A2)泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lrⁿ关系，利用公式分别计算表孔和中孔深孔的雨强比尺；所述的步骤(A1)，消能工分类，包括以下内容：

按照按泄洪方式、消能工体型将消能工分为a表孔泄洪和b中、深孔以及泄洪洞泄洪；

将a表孔泄洪分为a1表孔宽尾墩和a2表孔挑流消能两类；所述的步骤(A2)，泄洪雾化雨强比尺Sr与模型几何比尺Lr指数转换符合Sr＝Lrⁿ关系；利用公式分别计算表孔和中孔深孔的雨强比尺包括以下内容：

对于a1表孔宽尾墩：

n＝0.5 (1)

Sr＝Lr^0.5 (2)

对于a2表孔挑流消能：

n＝0.43Lr^0.33 (3)

对于b中、深孔和泄洪洞泄洪：

n＝0.04Lr^0.82 (5)

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