工業(yè)酒精流量計(jì)在有限流動(dòng)水域浮體結(jié)構(gòu)對水流結(jié)構(gòu)的影響
點(diǎn)擊次數(shù):1637 發(fā)布時(shí)間:2020-08-15 06:01:22
摘要:基于物理模型試驗(yàn),研究浮體結(jié)構(gòu)在有限流動(dòng)水域運(yùn)行過程中對下游水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。在不同浮體結(jié)構(gòu)位置及來流條件下,對下游水流結(jié)構(gòu)特征斷面的流速分布、流速不均勻系數(shù)以及回流區(qū)長度進(jìn)行了測量分析。結(jié)果表明:浮體結(jié)構(gòu)位置對流速分布及流速不均勻系數(shù)存在明顯影響;來流條件的改變同樣對兩者有較大的影響,其影響隨著來流流量的增大而增大;回流區(qū)的長度受浮體結(jié)構(gòu)位置以及來流流量影響都較大。在實(shí)際工程中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注浮體結(jié)構(gòu)位置及來流流量變化引起的水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)改變。
浮體結(jié)構(gòu)閘門作為一種新型的環(huán)境友好型閘門在平原水利防洪工程中得到廣泛的應(yīng)用。受邊界以及流動(dòng)特性的影響,有限流動(dòng)水域中的浮體結(jié)構(gòu)水動(dòng)力變化更為復(fù)雜,易導(dǎo)致浮體結(jié)構(gòu)傾覆,從而影響工程安全。水流結(jié)構(gòu)的變化對浮體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。邢殿錄等對比無限和有限水域,認(rèn)為有限水域中邊界的存在影響浮體結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力系數(shù)。陸彥分析浮箱門在靜水和動(dòng)水中的穩(wěn)定性及其影響因素,對浮箱門在運(yùn)行過程中的周圍水力特性進(jìn)行描述,并給出了增加沉浮穩(wěn)定性的措施。Johnson等采用物理模型試驗(yàn)對淹沒狀態(tài)下的防波堤在周圍波浪以及水流作用下的影響進(jìn)行分析,通過3種不同的數(shù)值模型對比并描述了浮式防波堤對周圍水流流態(tài)分布及波高的影響。傅宗甫等基于水力學(xué)模型試驗(yàn),分析了新型浮體閘在動(dòng)水中沉浮的水力特性,得到不同位置下影響浮體閘穩(wěn)定性的因素,同時(shí)提出提高浮體閘沉浮安全性的方式。蘇禮邦對浮體啟閉閘門在流動(dòng)水域中的運(yùn)行進(jìn)行了理論研究和模型試驗(yàn),得到浮體門受初始潮位影響較大、減小上下游水頭差可減小浮體門的受力從而提高穩(wěn)定性的結(jié)論,為大型浮體門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作運(yùn)行控制提供了技術(shù)支持。Rey等采用試驗(yàn)方法模擬了水流作用下的淹沒平板的水力荷載,得到水流對反射系數(shù)及作用在平板上的水平力影響巨大、對垂直作用力卻影響微小的結(jié)論。Venugopal等得到不同浮體結(jié)構(gòu)體型以及吃水深度對其表面受力影響巨大。崔貞等采用物理模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬對不同浮體結(jié)構(gòu)在不同水力特性下的水流結(jié)構(gòu)以及傾覆性進(jìn)行研究,研究不同參數(shù)對浮體結(jié)構(gòu)的影響,為有限流動(dòng)水域中浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。以上研究大多對浮體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及所受作用力進(jìn)行研究,對水流結(jié)構(gòu)及其影響因素研究較少。本文通過物理模型試驗(yàn),對不同來流條件下及不同位置下的浮體結(jié)構(gòu)在有限動(dòng)水作用下的下游水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。通過對比不同來流以及位置下的水力特性,分別對特征斷面的流速分布特征、斷面流速的不均勻系數(shù)以及回流區(qū)的變化特性進(jìn)行比較分析,以期為有限水域浮體結(jié)構(gòu)在動(dòng)水運(yùn)行過程中的周圍水流變化特性以及其穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。
1試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)
1.1試驗(yàn)裝置
為探究浮體結(jié)構(gòu)在不同位置以及不同來流流量對下游水流結(jié)構(gòu)的影響,在長、寬、高分別為10.00m、0.30m和0.50m的有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)(圖1)。浮體結(jié)構(gòu)位于水槽中間區(qū)域,通過閘門調(diào)速裝置對浮體結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行精確控制,對下游區(qū)域流速采用ADV進(jìn)行測速,并采用工業(yè)酒精流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測。
1.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)
有限水域的浮體結(jié)構(gòu)在不同來流動(dòng)水中運(yùn)行時(shí),浮體結(jié)構(gòu)位置的改變會(huì)對流場產(chǎn)生影響,從而影響浮體結(jié)構(gòu)的泄流能力以及穩(wěn)定性。試驗(yàn)過程中固定浮體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位置e,控制浮體結(jié)構(gòu)在上、下游水位不變的條件下進(jìn)行試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及說明見表1以及圖2。
2結(jié)果及分析
來自上游的水體經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用,水流繞流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的上部和下部區(qū)域通過,并在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域形成小范圍回流區(qū),此處水流紊亂,流速分布不均勻。試驗(yàn)過程中,對回流區(qū)沿水流方向的長度D(水槽縱向中心斷面處,自浮體結(jié)構(gòu)背水面到沿水流方向流速為0的*遠(yuǎn)位置點(diǎn))進(jìn)行量測。選取浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域回流區(qū)中心點(diǎn)所在斷面進(jìn)行流速測量對比。流速測量斷面位置A-A見圖3。
2.1不同浮體位置對斷面流速分布的影響
圖4橫坐標(biāo)為斷面水流方向流速,縱坐標(biāo)為測點(diǎn)垂向位置與下游水位的比值y/H'。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,*小斷面流速位置同樣上升。以圖3(a)為例,當(dāng)e=0.02m時(shí),下游斷面位置自下而上呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢,在y/H'=0.40時(shí)流速達(dá)到*小,隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,*小流速呈現(xiàn)向上偏移的趨勢。在斷面位置y/H'=0.20時(shí),隨著e的增大,流速呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)e較小時(shí),流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下部進(jìn)行下泄的水流較少,主流出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)的上部,且在浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用下出現(xiàn)回流區(qū);隨著e上升,主流偏向浮體結(jié)構(gòu)下部區(qū)域,流速增大。與y/H'=0.20的流速分布正好相反,當(dāng)y/H'=0.80時(shí),流速分布隨著浮體位置的增大而減小。隨著e的增大,通過浮體結(jié)構(gòu)下部泄流的水體增多,主流開始向下偏移。試驗(yàn)過程中,浮體結(jié)構(gòu)處于淹沒狀態(tài),流速的分布隨著浮體位置的改變呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布趨勢,在浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū),回流區(qū)的位置隨著浮體結(jié)構(gòu)的上升而上升。
2.2不同來流流量對斷面流速分布的影響
由圖5可知,當(dāng)e相同時(shí),斷面*小流速發(fā)生的位置相同,發(fā)生在浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)位置。隨著來流流量的增大,流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下泄的水流流速在上層和下層水體中呈現(xiàn)增大的趨勢。浮體結(jié)構(gòu)位置不變,由于受到浮體結(jié)構(gòu)的擠壓,上游來流分別經(jīng)過浮體結(jié)構(gòu)上部、下部進(jìn)行泄流,因此在下游區(qū)域的上層、下層水體中,流速較大;受浮體結(jié)構(gòu)的阻擋,浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū),流速較小。試驗(yàn)過程中,由于控制浮體結(jié)構(gòu)所在水域的上游、下游水位不發(fā)生變化,因此隨著來流流量的增大,流速呈現(xiàn)增大的趨勢。
2.3特征流速以及不均勻系數(shù)
流速沿?cái)嗝娣植嫉木鶆蛱匦钥梢酝ㄟ^流速分布不均勻系數(shù)進(jìn)行表征,通過所選取斷面*大流速和*小流速的差值與該斷面平均流速的比值,δ值越大表明浮體結(jié)構(gòu)的存在對水流斷面流速的分布產(chǎn)生的影響較大。表2中,當(dāng)來流流量相同時(shí),流速的不均勻系數(shù)多數(shù)隨e的增大而減小。浮體結(jié)構(gòu)位置較小時(shí),主流為浮體結(jié)構(gòu)上部的水流。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,來自上游的水體逐漸分成浮體結(jié)構(gòu)上部和下部的兩股主流,流速分布的不均性減小。浮體結(jié)構(gòu)位置及所處水位條件相同時(shí),來流流量的增大,區(qū)域的平均流速增大,因此流速不均勻性減小。
2.4回流區(qū)長度分析
表3中,當(dāng)來流流量較小時(shí)(Q=0.015m3/s),回流區(qū)的長度D隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大逐漸增大;當(dāng)來流流量較大時(shí)(Q=0.024m3/s),回流區(qū)的長度卻隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。試驗(yàn)過程中,當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)位置較高且來流較小時(shí),浮體結(jié)構(gòu)上下部區(qū)域的主流流速較小,回流區(qū)范圍較大;浮體結(jié)構(gòu)位置不變時(shí),來流流量增大,回流區(qū)長度減小。來流增加,下泄水流流速較大,并迅速將回流區(qū)內(nèi)的水流帶入下游區(qū)域,因此回流區(qū)長度反而呈現(xiàn)減小趨勢。
3結(jié)論
a.浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)水流流速分布呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布規(guī)律,受浮體結(jié)構(gòu)位置的影響較明顯;*小流速出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域,且主流隨著浮體位置的變化而發(fā)生偏移。
b.來流流量的增大會(huì)引起整體流速增大,而*小流速發(fā)生位置幾乎不受影響。
c.隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大,流速的不均勻系數(shù)多數(shù)呈減小趨勢。
d.不同位置的浮體結(jié)構(gòu)對回流區(qū)的范圍存在影響,且隨著流量的變化而發(fā)生變化:流量較小時(shí)(Q=0.015m3/s),隨著位置的增大回流區(qū)長度增大;流量較大時(shí)(Q=0.024m3/s),回流區(qū)長度呈現(xiàn)減小趨勢。在實(shí)際工程中,應(yīng)注意由于浮體結(jié)構(gòu)位置引起的水流結(jié)構(gòu)改變,并通過合理調(diào)控來流流量確保浮體的安全。
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1試驗(yàn)裝置及參數(shù)設(shè)計(jì)
1.1試驗(yàn)裝置
為探究浮體結(jié)構(gòu)在不同位置以及不同來流流量對下游水流結(jié)構(gòu)的影響,在長、寬、高分別為10.00m、0.30m和0.50m的有機(jī)玻璃水槽中進(jìn)行物理模型試驗(yàn)(圖1)。浮體結(jié)構(gòu)位于水槽中間區(qū)域,通過閘門調(diào)速裝置對浮體結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行精確控制,對下游區(qū)域流速采用ADV進(jìn)行測速,并采用工業(yè)酒精流量計(jì)進(jìn)行流量監(jiān)測。
1.2試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)
有限水域的浮體結(jié)構(gòu)在不同來流動(dòng)水中運(yùn)行時(shí),浮體結(jié)構(gòu)位置的改變會(huì)對流場產(chǎn)生影響,從而影響浮體結(jié)構(gòu)的泄流能力以及穩(wěn)定性。試驗(yàn)過程中固定浮體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位置e,控制浮體結(jié)構(gòu)在上、下游水位不變的條件下進(jìn)行試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及說明見表1以及圖2。
2結(jié)果及分析
來自上游的水體經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用,水流繞流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)的上部和下部區(qū)域通過,并在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域形成小范圍回流區(qū),此處水流紊亂,流速分布不均勻。試驗(yàn)過程中,對回流區(qū)沿水流方向的長度D(水槽縱向中心斷面處,自浮體結(jié)構(gòu)背水面到沿水流方向流速為0的*遠(yuǎn)位置點(diǎn))進(jìn)行量測。選取浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域回流區(qū)中心點(diǎn)所在斷面進(jìn)行流速測量對比。流速測量斷面位置A-A見圖3。
2.1不同浮體位置對斷面流速分布的影響
圖4橫坐標(biāo)為斷面水流方向流速,縱坐標(biāo)為測點(diǎn)垂向位置與下游水位的比值y/H'。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,*小斷面流速位置同樣上升。以圖3(a)為例,當(dāng)e=0.02m時(shí),下游斷面位置自下而上呈現(xiàn)先減小、后增大的趨勢,在y/H'=0.40時(shí)流速達(dá)到*小,隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,*小流速呈現(xiàn)向上偏移的趨勢。在斷面位置y/H'=0.20時(shí),隨著e的增大,流速呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)e較小時(shí),流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下部進(jìn)行下泄的水流較少,主流出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)的上部,且在浮體結(jié)構(gòu)的阻擋作用下出現(xiàn)回流區(qū);隨著e上升,主流偏向浮體結(jié)構(gòu)下部區(qū)域,流速增大。與y/H'=0.20的流速分布正好相反,當(dāng)y/H'=0.80時(shí),流速分布隨著浮體位置的增大而減小。隨著e的增大,通過浮體結(jié)構(gòu)下部泄流的水體增多,主流開始向下偏移。試驗(yàn)過程中,浮體結(jié)構(gòu)處于淹沒狀態(tài),流速的分布隨著浮體位置的改變呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布趨勢,在浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū),回流區(qū)的位置隨著浮體結(jié)構(gòu)的上升而上升。
2.2不同來流流量對斷面流速分布的影響
由圖5可知,當(dāng)e相同時(shí),斷面*小流速發(fā)生的位置相同,發(fā)生在浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)位置。隨著來流流量的增大,流經(jīng)浮體結(jié)構(gòu)下泄的水流流速在上層和下層水體中呈現(xiàn)增大的趨勢。浮體結(jié)構(gòu)位置不變,由于受到浮體結(jié)構(gòu)的擠壓,上游來流分別經(jīng)過浮體結(jié)構(gòu)上部、下部進(jìn)行泄流,因此在下游區(qū)域的上層、下層水體中,流速較大;受浮體結(jié)構(gòu)的阻擋,浮體結(jié)構(gòu)下游區(qū)域形成回流區(qū),流速較小。試驗(yàn)過程中,由于控制浮體結(jié)構(gòu)所在水域的上游、下游水位不發(fā)生變化,因此隨著來流流量的增大,流速呈現(xiàn)增大的趨勢。
2.3特征流速以及不均勻系數(shù)
流速沿?cái)嗝娣植嫉木鶆蛱匦钥梢酝ㄟ^流速分布不均勻系數(shù)進(jìn)行表征,通過所選取斷面*大流速和*小流速的差值與該斷面平均流速的比值,δ值越大表明浮體結(jié)構(gòu)的存在對水流斷面流速的分布產(chǎn)生的影響較大。表2中,當(dāng)來流流量相同時(shí),流速的不均勻系數(shù)多數(shù)隨e的增大而減小。浮體結(jié)構(gòu)位置較小時(shí),主流為浮體結(jié)構(gòu)上部的水流。隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的上升,來自上游的水體逐漸分成浮體結(jié)構(gòu)上部和下部的兩股主流,流速分布的不均性減小。浮體結(jié)構(gòu)位置及所處水位條件相同時(shí),來流流量的增大,區(qū)域的平均流速增大,因此流速不均勻性減小。
2.4回流區(qū)長度分析
表3中,當(dāng)來流流量較小時(shí)(Q=0.015m3/s),回流區(qū)的長度D隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大逐漸增大;當(dāng)來流流量較大時(shí)(Q=0.024m3/s),回流區(qū)的長度卻隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大呈現(xiàn)減小的趨勢。試驗(yàn)過程中,當(dāng)浮體結(jié)構(gòu)位置較高且來流較小時(shí),浮體結(jié)構(gòu)上下部區(qū)域的主流流速較小,回流區(qū)范圍較大;浮體結(jié)構(gòu)位置不變時(shí),來流流量增大,回流區(qū)長度減小。來流增加,下泄水流流速較大,并迅速將回流區(qū)內(nèi)的水流帶入下游區(qū)域,因此回流區(qū)長度反而呈現(xiàn)減小趨勢。
3結(jié)論
a.浮體結(jié)構(gòu)下游回流區(qū)水流流速分布呈現(xiàn)上大、中小、下大的分布規(guī)律,受浮體結(jié)構(gòu)位置的影響較明顯;*小流速出現(xiàn)在浮體結(jié)構(gòu)背水面的下游區(qū)域,且主流隨著浮體位置的變化而發(fā)生偏移。
b.來流流量的增大會(huì)引起整體流速增大,而*小流速發(fā)生位置幾乎不受影響。
c.隨著浮體結(jié)構(gòu)位置的增大,流速的不均勻系數(shù)多數(shù)呈減小趨勢。
d.不同位置的浮體結(jié)構(gòu)對回流區(qū)的范圍存在影響,且隨著流量的變化而發(fā)生變化:流量較小時(shí)(Q=0.015m3/s),隨著位置的增大回流區(qū)長度增大;流量較大時(shí)(Q=0.024m3/s),回流區(qū)長度呈現(xiàn)減小趨勢。在實(shí)際工程中,應(yīng)注意由于浮體結(jié)構(gòu)位置引起的水流結(jié)構(gòu)改變,并通過合理調(diào)控來流流量確保浮體的安全。
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