一种小底坡流道掺气方法及二维燕尾坎结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种泄水流道掺气方法及二维燕尾坎结构，主要解决小底坡泄水流道的掺气问题，陡坡流道亦可适用。
【背景技术】
[0002]泄洪流道一般单宽流量大、流速高，容易产生空化空蚀现象，需要设置掺气减蚀设施。根据布置形式不同，掺气设施可分为坎式、槽式、突扩式、贴坡式和混合式。掺气坎具有体型简单、便于通气孔布置等特点，工程上常采用布置掺气坎的方式解决掺气减蚀问题。高速水流越过掺气坎后产生分离区，水舌与底板之间形成掺气空腔，空腔通过两侧通气孔与大气连通。但当流道底板坡度较小、来流Fr数较低时，抛射水舌与底板及侧墙撞击后会产生回溯水流，形成空腔积水，严重时甚至淹没掺气空腔，导致掺气设施功能失效，引发建筑物空化空蚀破坏。研究表明，掺气坎后空腔回水的形成与空腔末端射流流速方向与底板夹角(射流冲击角)有密切关系，而在来流条件确定条件下，射流冲击角主要由掺气坎体型及底板坡度决定。底板坡度较小时，射流冲击角在产生旋滚水流的临界值附近，此时掺气坎体型设计优劣直接决定掺气效果好坏。
[0003]对于陡坡水流(如龙抬头或龙落尾段)，重力在垂直底板方向分量小，沿水流方向分量大，因此流速较高，抛射水舌落点处射流冲击角一般小于回水产生的临界值，不易产生回流积水，掺气效果好。但对于小底坡泄流建筑物，重力在垂直底板方向分量大，在水流方向分量小，水流流速也相对陡坡小，抛射水舌下缘面曲率较大，射流冲击角一般大于或等于回溯水流产生的临界值空腔积水必然存在。底板坡度越缓，射流冲击角越大，回流积水越严重，掺气空腔越不稳定，甚至不能形成空腔。此外，小底坡水流Fr数一般较低，受重力和边壁阻力影响十分显著，坎上水体流速分布也不均匀，常规二维直线挑坎后抛射水舌下缘面沿中心和两侧抛物线曲率和挑距均有差异，中心抛射距离远而高、两侧近而低，落点呈凸型分布，落点线上射流冲击角大小不一，总有旋滚水流产生；边壁水流受边壁阻力影响，从边壁滑落产生积水。试验研究发现，为了避免底板和边壁旋滚水流产生，增加两侧水舌挑距，使得两侧水舌挑距大于等于中心挑距，有利于消除空腔积水现象。前人处理小底坡掺气问题即遵循了以上原则，多采用垂向变化的三维异型挑坎，如U型、V型、凹型等，通过增加挑坎两侧挑坎坡度增加两侧水舌挑距，调整抛射角度和水舌在底板上的落点位置消除积水。其中，三维连续V型坎效果较好，已被工程采用，但是三维体型复杂，在过流突变处很容易产生空化空蚀现象，而且平均坎高较高，对抛出水体垂向扰动大，对水位适应范围小。
[0004]
【发明内容】
[0005]本发明提出一种流道底板掺气方法及二维燕尾坎结构，主要解决小底坡泄水流道掺气难题，也可用于坡度较大情况。具有结构简单、通用性强、对抛出水体垂向扰动小、不易产生空化空蚀破坏、掺气效果好的特点。
[0006]本发明的技术方案如下:
一种二维燕尾型掺气方法，其特征在于在常规二维连续直线型挑坎末端开一凹型槽，凹型槽轮廓线可为折线或曲线(圆弧、椭圆、抛物线或多次曲线等，只要末端开凹型缺口均属于此类)，因形似燕尾，故称燕尾坎。燕尾坎用以调整坎顶水舌抛射角度和坎后水舌落点分布，让中心水体比两侧水体提前挑出，减小了出坎水舌中部流速方向与底板夹角，使抛射水舌下缘面的中部比两侧曲线曲率更小，且挑距稍短，可减小水舌中部流速较高水体的射流冲击角(抛射水舌落点处流速方向与底板夹角)，有利于统一抛射水舌与贴坡射流冲击角。开槽宽深比与水舌落点分布及水舌中部射流冲击角直接相关，深度越深，水舌中部挑距越短，抛物线曲率越小，射流冲击角度也越小，反之亦然。当调整后抛射水舌的射流冲击角依然大于产生旋滚水流临界值，将此体型与挑坎后贴坡联合使用，效果更佳。
[0007]本发明的二维燕尾型掺气坎，其特征在于包含相互衔接的直线型挑坎前段和凹槽型挑坎尾段，凹槽型挑坎尾段位于直线型挑坎前段下游端，直线型挑坎前段和燕尾段(凹型槽挑坎尾段)的过流面为同一平面。
[0008]本发明凹型掺气坎体型简单、对抛出水体垂向扰动小、耐空化空蚀、适应范围广、掺气效果好。
[0009]
【附图说明】
[0010]图1是二维直线型挑坎末端开一种“V”型凹型槽剖面示意图。
[0011]图2是二维直线型挑坎末端开一种“V”型凹型槽平面示意图。
[0012]图3是二维直线型挑坎末端开一种三段折线凹型槽剖面示意图。
[0013]图4是二维直线型挑坎末端开一种三段折线凹型槽平面示意图。
[0014]图5是二维直线型挑坎末端开一种曲线(圆弧)型缺口剖面示意图。
[0015]图6是二维直线型挑坎末端开一种曲线(圆弧)型缺口平面示意图。
[0016]
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案做进一步详细的介绍。
[0018]实施例一
如图1、图2所示，本发明是在传统二维连续直线型挑坎末端开“V”字型燕尾槽(S卩“V”字型缺口)，形成由直线型挑坎前段和燕尾段(“V”字型燕尾段)组成的二维燕尾坎。燕尾槽对称于流道中心线开设，V型角度α —般为90° -160°。设置燕尾槽后，中心水体比两侧水体提前挑出，水舌抛物线呈现出两侧远中间近，曲率两侧大中间小，减小了中部出坎流速方向与泄水流道底板夹角，可使中间水舌底缘线与底板夹角最小且先于两侧水体接触底板，减小了中部的射流冲击角，且利于将两侧落点处产生积水及时“带走”。燕尾坎开槽深度需物理模型试验研究确定，目的是调整坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布较优。图中L1表示燕尾坎的长度，Η1表示燕尾坎坎高，^表示燕尾坎坡度，i。表示原底板坡度。
[0019]实施例二如图3-4所不，本实施例掺气结构与实施例一类似，不同在于在一般二维连续直线型掺气坎末端开凹型槽形式不同，凹型槽轮廓线可为折线或曲线(圆弧、椭圆、抛物线或多次曲线等)。图3-4为一种三段折线凹型槽，图5-6为一种曲线(圆弧)凹型槽。
【主权项】
1.一种二维燕尾型掺气方法，其特征在于在常规二维连续直线型挑坎末端开一凹型槽，让中心水体比两侧水体提前挑出，减小出坎水舌中部流速方向与泄水流道底板夹角，使抛射水舌下缘面的中部比两侧曲线曲率更小，且挑距稍短。2.如权利要求1所述二维燕尾型掺气方法，其特征在于凹型槽轮廓线为折线或曲线。3.如权利要求1所述二维燕尾型掺气方法，其特征在于凹型槽对称于流道中心线开设。4.如权利要求1所述二维燕尾型掺气方法，其特征在于凹型槽为“V”字型凹槽。5.如权利要求4所述二维燕尾型掺气方法，其特征在于“V”字型凹槽的开槽深度满足坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布。6.一种二维燕尾坎结构，其特征在于包含相互衔接的直线型挑坎前段和凹型槽挑坎尾段，凹型槽挑坎尾段位于直线型挑坎前段下游端，直线型挑坎前段和凹型槽挑坎尾段的过流面为同一平面。7.如权利要求6所述二维燕尾坎结构，其特征在于凹型槽轮廓线为折线或曲线。8.如权利要求6所述二维燕尾坎结构，其特征在于凹型槽对称于流道中心线开设。9.如权利要求6所述二维燕尾坎结构，其特征在于凹型槽为“V”字型凹槽。10.如权利要求9所述二维燕尾坎结构，其特征在于“V”字型凹槽的开槽深度满足坎后水舌挑距尽量相同或中间比两侧稍近，落点呈“一”或“V”字型分布。
【专利摘要】本发明提出一种小底坡泄水流道的二维燕尾型掺气方法及二维燕尾坎体型，主要解决小底坡掺气回流积水问题。在常规二维连续直线型挑坎末端平面上开一凹型槽（形似燕尾，故称燕尾坎），通过凹型槽的形式和尺寸调整坎顶水舌抛射角度和坎后水舌落点分布，让中心水体比两侧水体提前挑出，减小出坎水舌中部流速方向与底板夹角，使抛射水舌下缘面的中部比两侧曲线曲率更小，且挑距稍短，有利于统一抛射水舌与贴坡的射流冲击角，从而减小掺气空腔回流积水。本发明主要用以解决小底坡泄水流道掺气回流积水难题，具有体型简单、耐空化空蚀、对抛出水体垂向扰动小、适应范围广、掺气效果好的特点。
【IPC分类】E02B8/06
【公开号】CN105256771
【申请号】CN201510697281
【发明人】吴时强, 王芳芳, 王威, 吴修锋, 周杰, 沙海飞, 薛万云, 戴江玉, 曹昊, 陈惠玲
【申请人】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年10月23日