应用力学学报CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICS文章编号:1000-4939(2002)03-0046-04齿墩与消力池联合消能机理分析张宗孝马斌魏文礼(西安理工大学西安710048)摘要:齿墩与消力池联合消能可用附加射流水跃理论分析，用跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的TT分数，佔计新增消能设施的经济效益，并通过模型试验验证消能的理论分析，计算新增设施的消能量、跃后水深、水跃长度或单宽水跃容积减少的白分数。结果表明，采用齿墩设施,可增进消力池的消能作用，并取得显著的经济效益，达到附加射流水跃理论所预期的效果。关键词:齿墩;消力池;附加射流;消能机理中图分类号:TV131文献标识码：A力池联合消能的流态示意图如图1所示。1引言多年來，掺气分流墩、齿墩与消力池联合消能的作用，已越来越为人们所认识,其应用方而在我国也得到发展。但rh于该设施局部流态和消能机理非常复杂，某些理论参数无法确定,这样就导致难以用理论方法直接计算出消能量，定量评价其消能效果。因此,用一个简便的、能定量估算这种消能设施的消能量和效益的方法，有明显的实用意义。在消力池上游陡坡上增设齿墩后，可增进消能,使水跃长度和跃后水深减小，总消能最增加。本文依据能量方程，假定增设齿墩后，跃后水深为第二共純水深，求出水跃消能量，然后由总能量减去水跃消能最和剩余能量即可求得齿墩的消能最。用此方法可以估算齿墩所消刹的能量。2齿墩与消力池联合消能的流态特点齿墩设施布置在消力池上游陡坡上，由水平掺气坎、侧墙挑坎、若干个齿墩三部分组成。齿墩与消图I齿墩与消力池联合消能的流态示意图齿墩增强消能的主要原理是通过墩体束窄泄水道，使泄水道水流形成多股纵向扩散的射流，射流沿垂直陡槽方向的厚度将随着齿墩收缩比及墩高比的增大|何增加许多倍。因而水流在铅冑方向得到显著的扩散，在横断面经扩散连成一体。底部的射流射到陡坡进入消力池以水跃方式消能；顶部的扩散水舌在空中变形、碰撞、混掺、碎裂、掺气，大人扩展了水舌断面积，增加了水舌空中的消能效杲。这种充分掺气的多股水舌射入消力池，以附加射流的方式参加水跃消能。这时消力池形成多股小尺度的三元旋馄，互相掺混,对应第二共純水深人为降低，以至能使原来成为远驱水跃的流态转变为淹没水跃。这笫19卷第3期2002年9月*來稿U期:2001-02-27修冋U期:2002-03-26第一作者简介:张宗孝，男.1964年生，西安理工大学水电学院,高级工程师;研究方就显著地提高了消力池的消能率，达到缩短池长与减少池深的1=1的。3附加射流水跃理论从齿墩与消力池联合消能的流态看，齿墩间的水流经陡坡集中，在反弧末端进入消力池以水跃方式消能;齿墩顶部的水流，以附加流量方式注入消力池的水跃中,进行联介消能，并按照附加射流水跃的机理进行工作。该射流似为连续宽度，且随墩高比的变化，可以调整分流比及水舌落点。图2附加射流注入水跃后的水力条件齿墩顶部的射流注入消力池，这种三元水跃的水力学分析比较复杂，目前只能以二元附加射流水跃模式⑴，対这种顶部対流注入水跃的联合消能工进行分析，基本的水力学模式如图2所示。取①〜念断面Z间的体积为控制体，由流体力学动量积分和连续方程有：专j]JvdV+甘v（vds）=»⑴V+呼(vdS)=0(2)式中,0为水体的密度；艺F为作用控制体内包括控制面上所有外力的合力,VV为控制体内积分微元的体积；dS为积分微元的表而积；v为微元体的平均速度。在恒定流条件下，式（1丿在水平方向的投影式为（沿主流方向建立动量方程丿QqV2-（0Qi。1+092"8$）=yh?/2-yhl/2（3）连续方程为q3=qi+92⑷式中,Y为水的容重,yi为水跃的单宽流量,=aq\为射流的单宽流量；的为跃厉断面的单宽流量;A1、血分别为水跃第一和第二共轨水深,$为顶部水舌入流断面处的入水角。以u1=q\/h\;u2=q7/?2=(1+a丿/h?;u=q?/b=aq\/b代入式(3丿，得(/Thl_后(1+么丿2J12品'co®gh2+2="2+2-gh⑸式中b为射流入水厚度。由式(5丿可见.•跃方程_d_Jd也+2依据上式，当第一共轨水深-•定时,可求得第二共轨水深h2*hi=h\/2（Jl+8肩/・1丿2）当射流与急流同向，即B<90°有显Jdgh\+2-_^ZLJ12=加+2+%+a2)晶2cofigb)(gh2~显然，当卩=cos'1//?(2+a)/a/?2/=Po时，式（7丿与式（6丿...