導(dǎo)語：水電站泄流數(shù)值計算管理論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

水電站采用不同的泄流消能方式，對水霧的產(chǎn)生機理、形態(tài)及霧量多寡，存在較大的差異。對于挑流消能工程，泄流霧化會造成以下危害：廠房進(jìn)水、斷電、交通中斷和邊坡失穩(wěn)。自20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)一些專家學(xué)者對挑流霧化問題進(jìn)行了廣泛的研究，取得了豐碩的成果；但對于底流消能工程，其泄流霧化問題很少研究。本文就灣塘水電站底流消能霧化的數(shù)計算作一探討。

1底流消能霧化的數(shù)學(xué)模型[1]

洪水在下泄和消能過程中，由于水流與空氣邊界的相互作用，使得水流自由面失穩(wěn)和水流紊動加劇[2]，進(jìn)而部分水體以微小水滴的形式進(jìn)入空氣中，產(chǎn)生某種形式的霧源。霧源在自然風(fēng)和水舌風(fēng)的綜合作用下，向下游擴(kuò)散，使水霧分布在下游的一定空間中。之后，水霧經(jīng)自動轉(zhuǎn)換過程和碰并過程轉(zhuǎn)變?yōu)橛甑?，以及水霧和水汽之間發(fā)生霧滴的蒸發(fā)或凝結(jié)過程。如圖1所示，因雨滴數(shù)較霧滴少得多，故在本數(shù)學(xué)模型中不考慮雨滴的蒸發(fā)過程和水汽凝結(jié)為雨滴的過程，在圖1中用帶虛線箭頭來表示。

1.1水霧霧源量的計算根據(jù)霧源產(chǎn)生的機理不同，底流消能霧化的霧源可分為二個；第一是溢流壩面自摻氣而產(chǎn)生霧源；第二是水躍區(qū)強迫摻氣而產(chǎn)生霧源。理論分析[3]和原型觀測[4]都表明，后者為主要霧源，故在本數(shù)學(xué)模型中僅考慮第二霧源，而不計第一霧源對下游的影響。如圖2所示，高速水流流經(jīng)水躍區(qū)發(fā)生強迫摻氣，其中躍首處旋渦最強，可以認(rèn)為摻氣點發(fā)生在此處，從而形成水氣兩相流。被旋渦挾持進(jìn)水中的空氣形成氣泡，氣泡在水中隨著旋渦運動，有的氣泡脫離自由面的束縛以水滴、水霧的形式躍出水面，從而形成霧源[5]。根據(jù)底流消能[6]的霧化機理，得到下式：

式中：ql為單位長度線源的水霧霧源量，kg/(s·m)；ρ為水的密度；Lj為水躍的長度，Lj=10.8hc(Fr1-1)0.93，hc為躍首處的水深；vc為躍首處的流速；q為單寬流量，m2/s·m；u′2為躍首處的脈動速度均方根；uw為自然風(fēng)和水舌風(fēng)的合成風(fēng)速。

選取ρ、Lj、vc為基本物理量，令qe=ρLjvc，利用量綱分析方法式(2)可得：

根據(jù)灣塘水電站霧化原型觀測的數(shù)據(jù)[4}，應(yīng)用逐步回歸分析方法[7]，試建立式(3)的回歸模型：以ql/qe為因變量，以Fr1、Nt1和uw/vc作為可能的自變量，計算表明，在顯著性水平為0.05，F(xiàn)r1、Nt1和uw／vc這三個量對因變量ql／qe的影響都不顯著；以ql為因變量，以qe作為可能的自變量，在顯著性水平為0.05，qe對因變量ql的影響顯著。故對ql和qe作線性回歸，求得：

1.2水霧擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型

1.2.1基本假設(shè)(1)水霧霧源位于躍首的上方，且為連續(xù)線源；(2)水霧擴(kuò)散滿足高斯擴(kuò)散模式，擴(kuò)散參數(shù)采用布魯克海汶擴(kuò)散(BNL)參數(shù)系統(tǒng)，時空為小尺度模式；(3)水霧在峽谷內(nèi)擴(kuò)散，水霧在下墊面發(fā)生沉降和反射；(4)地形采用VALLEY(山谷)修正模式。

1.2.2風(fēng)向與線源垂直時水霧的擴(kuò)散[8]圖4是一個高架連續(xù)線源擴(kuò)散的示意圖，坐標(biāo)系oxyz的y軸與壩軸線平行，x軸為水流方向，z軸為垂直向上，點o位于躍首上方，且高程等于下游水位。設(shè)P為下游空間的任意一點，其坐標(biāo)分別為x、y、z，其水霧的濃度為：

式中：σy為水霧在y方向的濃度分布方差；σz為水霧在z方向的濃度分布方差；h為水霧線源的高度，h=(05～1)(h″c-hc)，h″c為hc的共軛水深。y1為水霧線源起點y坐標(biāo)；y2為水霧線源終點y坐標(biāo)；φ為下墊面的反射系數(shù)。

考慮到峽谷內(nèi)盛行山谷風(fēng)，并且其風(fēng)向變化不大。故擴(kuò)散參數(shù)選用布魯克海紋擴(kuò)散(BNL)參數(shù)系統(tǒng)(陣風(fēng)度等級為D)：

1.2.3風(fēng)向與線源成任意角時水霧的擴(kuò)散在坐標(biāo)系oxyz中，假定自然風(fēng)速為uw1，其風(fēng)向與x軸正向成β1角；水舌風(fēng)速為vjw，其風(fēng)向沿x軸的正向，則自然風(fēng)速和水舌風(fēng)速的合成速度為uw，其風(fēng)向與x軸正向成β2角，規(guī)定：從x軸的正向開始，繞點o逆時針轉(zhuǎn)動時，角β為正值；反之，角β為負(fù)值，如圖5所示。建立風(fēng)坐標(biāo)系ox1y1z，使x1軸與uw平行，坐標(biāo)系oxyz、ox1y1z的z軸相重合。將線源在y1軸上投影，分別得到虛擬線源在y1軸上的起點和終點坐標(biāo)：y01=y1cosβ2；y02=y2cosβ2。這樣，合成風(fēng)速uw與線源成任意角的情況就轉(zhuǎn)化為合成風(fēng)速uw垂直流過虛擬線源的情況。參照式(8)，得到下游任意一點的水霧濃度分布：

1.2.4地形的修正模式因峽谷內(nèi)盛行山谷風(fēng)，并且其風(fēng)向變化不大，故霧流擴(kuò)散屬于中性或弱不穩(wěn)定的情形。選取美國國家環(huán)保局(EPA)的VALLEY(山谷)模式，地形的修正模式主要體現(xiàn)在修正霧源的排放高度上。在中性或不穩(wěn)定的情況下，假定霧流中心平行于地面，始終保持其初始的高度。

1.3霧滴、雨滴和水汽之間的相互轉(zhuǎn)換過程

1.3.1霧雨自動轉(zhuǎn)換過程霧雨自動轉(zhuǎn)換過程就是霧滴之間相互結(jié)合形成雨滴胚胎的過程，它是霧中出現(xiàn)雨滴的起始過程。Kessler(1969)給出了云雨自動轉(zhuǎn)換率的關(guān)系式，它也適用于霧雨自動轉(zhuǎn)換過程。

式中：Erc為雨滴對霧滴的碰并效率，qc為單位質(zhì)量空氣中水霧的質(zhì)量(kg/(空氣kg))，qr為單位質(zhì)量空氣中雨滴的質(zhì)量(kg/(空氣kg))。

1.3.3霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)過程[9]根據(jù)平衡法，來計算霧滴的凝結(jié)和蒸發(fā)。即在過飽和空氣中發(fā)生凝結(jié)，減少了空氣中的水汽量，直到空氣達(dá)到飽和為止；在不過飽和空氣中霧滴發(fā)生蒸發(fā)，增加了空氣中的水汽量，直到空氣達(dá)到飽和或霧滴蒸發(fā)完畢為止。

假定未發(fā)生泄流時，空氣的溫度和水汽比濕分別為T1和q1，若凝結(jié)量等于x時空氣達(dá)到飽和，此時，空氣的溫度和水汽比濕分別達(dá)到T和q，存在以下關(guān)系式：

x>0，表示在過飽和空氣中，空氣發(fā)生凝結(jié)，x為空氣達(dá)到飽和的所凝結(jié)的水汽量；x<0，表示在不飽和空氣中，空氣發(fā)生蒸發(fā)，|x|為空氣達(dá)到飽和的所蒸發(fā)的水汽量。當(dāng)qc<|x|時，蒸發(fā)量就等于qc，即霧滴全部蒸發(fā)完，空氣尚處于未飽和狀態(tài)。所以凝結(jié)量為：

2灣塘水電站消能霧化的數(shù)值計算

2.1灣塘水電站霧化原型觀測工況觀測工況情況見表1。

2.2灣塘水電站氣象條件灣塘水電站未泄流的氣象條件，如表2所示。表中風(fēng)向：0°和360°表示正北；90°表示正東；180°表示正南；270°表示正西。

2.3灣塘水電站泄流霧化數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果

2.3.1泄流霧化的霧源量由灣塘水電站霧化原型觀測工況表1和氣象條件表2等，根據(jù)式(4)計算得到灣塘水電站泄流霧化的霧源量，如表3所示。

2.3.2計算結(jié)果的等值線圖從圖6～9可見，水霧濃度、相對濕度、溫度和降雨強度等值線大部分在消力池的范圍內(nèi)。在消力池中心線截面上，各點的溫度和相對濕度等值線如圖10和圖11，溫度和相對濕度的高值集中在局部的范圍內(nèi)。

2.4灣塘水電站霧化參數(shù)的計算值和原觀值

2.4.1斷面2中點雨強的計算值與原觀值在斷面2(樁號為0+56.05)上，取y=0與高程分別等于394m和395m的兩點，它們的雨強計算值與原觀值見表4，對應(yīng)的分布圖如圖12所示。可以看到：雨強的原觀值和計算值都隨躍首單寬流量的增大而增大，并且兩者基本一致。

2.4.2斷面2空氣含水量計算值和原觀值的對比灣塘水電站泄流時，斷面2空氣含水量的計算值和原觀值見圖13～17，可見，除圖16外，其他工況的空氣含水量計算值和原觀值基本一致。

3結(jié)論

通過本文的研究，得到以下結(jié)果：(1)應(yīng)用量綱分析方法，得到底流泄流霧化的霧源量計算關(guān)系式，計算過程簡單、計算結(jié)果可靠；(2)建立了底流泄流霧化的數(shù)學(xué)模型，能計算霧源下游流場水霧濃度、溫度、相對濕度和降水強度的分布；(3)對灣塘水電站底流消能霧化進(jìn)行了數(shù)值計算，其計算結(jié)果與工程原型觀測基本一致，說明本文的數(shù)學(xué)模型有效、可靠；(4)本文的數(shù)學(xué)模型既可以為水電站的設(shè)計、運行和防護(hù)提供借鑒，也可以為底流消能霧化的環(huán)境評價提供有效的手段。