CN113505332B - 一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，属于水利水电技术领域。目的在于结合河道的水流流速，估算岸边泄洪洞运行时对河道的冲刷，为岸边泄洪洞的运行调度及下游河道的防护提供参考。主要包括以下步骤：根据泄洪洞的特征参数，计算泄洪水舌入水位置的最大理论流速，作为入水水舌的核心流速；以正态分布表示水舌入水时的分布形态，计算水舌入水时的特征宽度；根据挑流水舌边缘在水中的扩散轨迹计算水舌在静水中扩散运动的相关表达式；将水舌入水后的扩散过程分为多个微小的时间段，对每一时间段进行修正，并将时间段末的射流参数作为下一时间段的初始参数，逐步计算横向水流中的射流扩散参数。

Description

一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法。
背景技术
泄洪消能问题关系到水电枢纽的安全，岸边式泄洪消能布置是最为常见的泄洪消能布置方式之一，主要包括岸边溢洪道和岸边泄洪洞两种。对于我国西南地区一些高坝工程，常用坝身泄洪及岸边泄洪相结合的布置方式，如二滩水电站，坝体的表孔、中孔以及右岸两条泄洪洞大致分别承担泄洪总流量的三分之一左右。目前，以乌东德、白鹤滩等为代表的一批大型和特大型高坝水电工程正陆续开工建设；这些在建巨型水电站大多具有泄洪水头高，泄洪功率巨大的特点，狭窄的河谷空间给泄洪消能方案设计带来了极大的难度。因此，这些大型水电枢纽大多采用“分区消能”的原则，由岸边泄洪承担约30％的泄洪任务，缓解了坝身的泄洪消能压力。坝身与岸边泄洪设施相结合的泄洪消能布置方式，提高了枢纽的泄流能力，大大增加了枢纽泄洪调度的灵活性，同时泄洪时合理分配坝身与泄洪洞泄量，不仅可以适当调整消能区的下游水位，还可以利用动水效应有效降低河道冲刷与淤积。
由于坝身下游水垫塘在泄洪之前为静水状态，目前对于挑流的研究大多基于静水水垫塘开展，但在实际工程中，分层多股挑跌水流射入水垫塘后，上游水舌对下游水舌有一定程度的干扰，水垫塘中的水流流动特性有明显变化，水垫塘内动水压力分布规律并非单股水舌作用结果的简单叠加，多股射流作用下水垫塘的水流紊动特性尚不明确；同时，对于岸边挑流来说，其下游的消能水体也大多处于流动状态，上游河道来流的水流流态对挑流水舌入水扩散有直接的影响。对于大型水利枢纽，根据枢纽不同的运行调度方式，岸边泄洪设施下游水位、流速还可能具有较大的变幅，因而对于岸边挑流消能的研究应在充分考虑河道的动水水流条件下进行。对动水垫状态下的挑流水舌入水扩散规律的研究，是对挑流消能理论的进一步完善，为河道安全防护提供保障。由此设计一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法。
发明内容
本发明的目的是为了对动水垫状态下的挑流水舌入水扩散规律研究，对挑流消能理论的进一步完善，为河道安全防护提供保障而提出的一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立空间二维坐标系，以垂直向下方向为坐标轴X正向，以水平方向朝向下游为坐标轴Y正向；
S2、根据挑流水舌的扩散特点，以正态分布表示挑流水舌的断面流速分布，包括入水的流速分布及在水体中扩散的流速分布，沿断面方向流速分布表达式为其中水舌中心为坐标原点，断面方向为X轴方向，垂直断面方向为Y轴，，X轴与Y轴夹角方向为流速方向，根据正态分布的特性，空气阻力系数σ与射流宽度d的关系为/>
S3、水舌入水前的核心流速根据挑流鼻坎出口处的有效水头与下游水面的水头差计算，计算公式其中v0为射流入水时的水舌核心流速，射流入水时的宽度为d0，g为重力加速度，△H为射流到达水面的总有效水头；
S4、射流在水中的扩散规律满足线性扩散，即射流总宽度的增长随着射流在水中的距离增加而线性增加，线性扩散系数为k，射流在水中宽度随射流在水垫中的运行距离L增加的表达式为d＝d0+kL,其中线性扩散系数k取值为0.4；
S5、射流在下游静水水垫中的运行距离与运行时间的关系有以下表达式：其中L为射流在水垫中的运行距离，k为线性扩散系数，d0为射流入水时的宽度，v0为射流入水时的水舌核心流速，t为射流在水中的运行时间；当射流入射角度为θ时，射流深度为Lsinθ，射流水平运行距离为Lcosθ；
S6、在横向水流作用下的射流扩散轨迹，将射流在水中的扩散过程分为多个微小时间段Δt，对Δt时间内的水体运动轨迹进行分析，以动量方程修正Δt时间内的水舌运动轨迹。具体做法为：计算Δt时间内参与动量交换的射流水体体积为S1＝vΔtdh，其中v为断面平均流速，d为射流宽度，h为射流厚度；参与动量交换的横向水流体积为S2＝uΔtdcosθ，u为下游横向水流的流速；横向水流导致射流在水平方向上增加一定的流速V，V的计算公式为V＝uS1/(S1+S2)；
S7、以计算所得流速V修正Δt时间内的射流运动轨迹：未考虑动水时，射流在Δt时间内沿垂直方向运行距离为Lx＝Lsinθ，水平方向运行距离为Ly＝Lcosθ，其中式中d为射流宽度，v为断面平均流速；考虑动水时，在静水的基础上，横向运行距离修正为L'y＝Ly+vΔt，实际运行轨迹修正为/>根据实际运行轨迹L'计算Δt时刻末的核心流速v′0和平均流速v'，根据实际运行轨迹计算Δt时刻末的射流角度为/>将本时段时刻末的计算结果作为下一时段的计算初始参数，进行下一时段计算。
与现有技术相比，本发明提供了一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，具备以下有益效果：
(1)本发明结合河道的水流流速，估算岸边泄洪洞运行时对河道的冲刷，为岸边泄洪洞的运行调度及下游河道的防护提供参考。根据泄洪洞的特征参数，计算泄洪水舌入水位置的最大理论流速，作为入水水舌的核心流速；以正态分布表示水舌入水时的分布形态，计算水舌入水时的特征宽度；根据挑流水舌边缘在水中的扩散轨迹计算水舌在静水中扩散运动的相关表达式；考虑横向水流影响对射流轨迹进行修正；将水舌入水后的扩散过程分为多个微小的时间段，对每一时间段进行修正，并将时间段末的射流参数作为下一时间段的初始参数，逐步计算横向水流中的射流扩散参数。
附图说明
图1为本发明的横向水流垂直断面挑流水舌轨迹示意图；
图2为本发明的横向水流断面挑流水舌轨迹示意图；
图3为本发明的横向水流射流扩散轨迹示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：
请参阅图1-3，一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，包括以下步骤：
1.一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立空间二维坐标系，以垂直向下方向为坐标轴X正向，以水平方向朝向下游为坐标轴Y正向；
S2、根据挑流水舌的扩散特点，以正态分布表示挑流水舌的断面流速分布，包括入水的流速分布及在水体中扩散的流速分布，沿断面方向流速分布表达式为其中水舌中心为坐标原点，断面方向为X轴方向，垂直断面方向为Y轴，，X轴与Y轴夹角方向为流速方向，根据正态分布的特性，空气阻力系数σ与射流宽度d的关系为/>
S3、水舌入水前的核心流速根据挑流鼻坎出口处的有效水头与下游水面的水头差计算，计算公式其中v0为射流入水时的水舌核心流速，射流入水时的宽度为d0，g为重力加速度，△H为射流到达水面的总有效水头；
S4、射流在水中的扩散规律满足线性扩散，即射流总宽度的增长随着射流在水中的距离增加而线性增加，线性扩散系数为k，射流在水中宽度随射流在水垫中的运行距离L增加的表达式为d＝d0+kL,其中线性扩散系数k取值为0.4；
S5、射流在下游静水水垫中的运行距离与运行时间的关系有以下表达式：其中L为射流在水垫中的运行距离，k为线性扩散系数，d0为射流入水时的宽度，v0为射流入水时的水舌核心流速，t为射流在水中的运行时间；当射流入射角度为θ时，射流深度为Lsinθ，射流水平运行距离为Lcosθ；
S6、在横向水流作用下的射流扩散轨迹，将射流在水中的扩散过程分为多个微小时间段Δt，对Δt时间内的水体运动轨迹进行分析，以动量方程修正Δt时间内的水舌运动轨迹。具体做法为：计算Δt时间内参与动量交换的射流水体体积为S1＝vΔtdh，其中v为断面平均流速，d为射流宽度，h为射流厚度；参与动量交换的横向水流体积为S2＝uΔtdcosθ，u为下游横向水流的流速；横向水流导致射流在水平方向上增加一定的流速V，V的计算公式为V＝uS1/(S1+S2)；
S7、以计算所得流速V修正Δt时间内的射流运动轨迹：未考虑动水时，射流在Δt时间内沿垂直方向运行距离为Lx＝Lsinθ，水平方向运行距离为Ly＝Lcosθ，其中式中d为射流宽度，v为断面平均流速；考虑动水时，在静水的基础上，横向运行距离修正为L'y＝Ly+vΔt，实际运行轨迹修正为/>根据实际运行轨迹L'计算Δt时刻末的核心流速v′0和平均流速v'，根据实际运行轨迹计算Δt时刻末的射流角度为/>将本时段时刻末的计算结果作为下一时段的计算初始参数，进行下一时段计算。
本发明结合河道的水流流速，估算岸边泄洪洞运行时对河道的冲刷，为岸边泄洪洞的运行调度及下游河道的防护提供参考。根据泄洪洞的特征参数，计算泄洪水舌入水位置的最大理论流速，作为入水水舌的核心流速；以正态分布表示水舌入水时的分布形态，计算水舌入水时的特征宽度；根据挑流水舌边缘在水中的扩散轨迹计算水舌在静水中扩散运动的相关表达式；考虑横向水流影响对射流轨迹进行修正；将水舌入水后的扩散过程分为多个微小的时间段，对每一时间段进行修正，并将时间段末的射流参数作为下一时间段的初始参数，逐步计算横向水流中的射流扩散参数。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种挑流水舌在横向水流中的运动轨迹的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立空间二维坐标系，以垂直向下方向为坐标轴X正向，以水平方向朝向下游为坐标轴Y正向；
S2、根据挑流水舌的扩散特点，以正态分布表示挑流水舌的断面流速分布，包括入水的流速分布及在水体中扩散的流速分布，沿断面方向流速分布表达式为其中水舌中心为坐标原点，断面方向为X轴方向，垂直断面方向为Y轴，X轴与Y轴夹角方向为流速方向，根据正态分布的特性，空气阻力系数σ与射流宽度d的关系为/>
S3、水舌入水前的核心流速根据挑流鼻坎出口处的有效水头与下游水面的水头差计算，计算公式其中v0为射流入水时的水舌核心流速，射流入水时的宽度为d0，g为重力加速度，△H为射流到达水面的总有效水头；
S4、射流在水中的扩散规律满足线性扩散，即射流总宽度的增长随着射流在水中的距离增加而线性增加，线性扩散系数为k，射流在水中宽度随射流在水垫中的运行距离L增加的表达式为d＝d0+kL,其中线性扩散系数k取值为0.4；
S5、射流在下游静水水垫中的运行距离与运行时间的关系有以下表达式：其中L为射流在水垫中的运行距离，k为线性扩散系数，d0为射流入水时的宽度，v0为射流入水时的水舌核心流速，t为射流在水中的运行时间；当射流入射角度为θ时，射流深度为Lsinθ，射流水平运行距离为Lcosθ；
S6、在横向水流作用下的射流扩散轨迹，将射流在水中的扩散过程分为多个微小时间段Δt，对Δt时间内的水体运动轨迹进行分析，以动量方程修正Δt时间内的水舌运动轨迹；
具体做法为：计算Δt时间内参与动量交换的射流水体体积为S1＝vΔtdh，其中v为断面平均流速，d为射流宽度，h为射流厚度；参与动量交换的横向水流体积为S2＝uΔtd cosθ，u为下游横向水流的流速；横向水流导致射流在水平方向上增加一定的流速V，V的计算公式为V＝uS1/(S1+S2)；
S7、以计算所得流速V修正Δt时间内的射流运动轨迹：未考虑动水时，射流在Δt时间内沿垂直方向运行距离为Lx＝Lsinθ，水平方向运行距离为Ly＝Lcosθ，其中式中d为射流宽度，v为断面平均流速；考虑动水时，在静水的基础上，横向运行距离修正为L'y＝Ly+vΔt，实际运行轨迹修正为/>根据实际运行轨迹L'计算Δt时刻末的核心流速v'0和平均流速v'，根据实际运行轨迹计算Δt时刻末的射流角度为/>将本时段时刻末的计算结果作为下一时段的计算初始参数，进行下一时段计算。/>
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