CN114059501A - 一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法 - Google Patents

一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法，属于水利水电技术领域，主要包括以下步骤：建立坝身泄洪孔口的三维空间坐标，以二维高斯分布表示空中单股泄洪水舌的分布形态；以抛物线公式计算水舌空中轨迹及水舌边界；以表深孔水舌空中重叠位置及重叠比例计算碰撞流量；以动量公式计算碰撞后的水舌落水点中心位置，并用二维高斯分布表示碰撞后的水舌入水分布规律；对于表深孔交错布置的复杂水舌碰撞情况，逐一对表深孔进行碰撞情况分析，最后将碰撞后的水舌分布在入水平面叠加，得出泄洪水体总体分布规律；本发明通过计算高坝工程中多层空中水舌碰撞后的入水分布规律，能够为泄洪孔口体型优化和水垫塘防护提供参考。

Description

一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体公开了一种表深孔水舌空中碰撞后入水分布的估算方法。
背景技术
随着我国大型水利水电工程建设的发展，带来较大的社会、经济、环境等方面的综合效益的同时，存在水头很高、下泄流量大的特点，对泄洪消能方式提出了很高的要求。
“分层出流、空中碰撞，坝后水垫塘消能”的消能模式最早在二滩水电站工程中被使用，这种消能模式利用水舌空中碰撞分散水舌，避免了大单宽泄洪水舌在水垫塘内过度集中，实现了窄河谷大单宽流量消能的问题，这种消能模式也被许多高坝工程所采用。随着新建工程的坝高增加，坝身泄量增大，许多工程为了适应自身特点，基于该消能模式做了部分改变，例如局部不对称布置、分组对称布置等等，在高效消能的同时也增加了对水舌入水分布预测的难度；为了解决上述问题，我们提出了一种表深孔水舌空中碰撞后入水分布的估算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法，能够更好的估算表深孔水舌空中碰撞后入水分布情况。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种表深孔水舌空中碰撞后入水分布的估算方法，包括以下步骤：
S1、根据坝身孔口与下游水垫塘的位置建立空间坐标系，以水垫塘长度方向为坐标轴X，以水垫塘宽度方向为坐标轴Y，高度方向为Z轴，记录各泄洪孔口的各特征坐标；
S2、根据流量计算泄洪孔口的出口流速，结合孔口出口水舌中心的坐标(X出,Y出,Z出)与出口挑角θ，按照空中抛物落体计算水舌中心轨迹，记录水舌核心落水点(X落,Y落,Z落)；
S3、根据孔口边界，包括左右边界以及水舌上下边界，按照空中抛物落体计算水舌落水的边缘位置，记录水舌落水边缘点坐标(X落前,Y落前,Z落前)，(X落后,Y落后,Z落后)，(X落左,Y落左,Z落左)，(X落右,Y落右,Z落右)；
S4、以二维高斯分布表示水流在落水范围内的分布量；
S5、对所有泄洪孔口重复以上的步骤，绘出水舌落水点分布图；
S6、根据计算所得水舌空中轨迹绘制水舌空中轨迹图，分析不同孔口水舌碰撞部分所占的体积比,计算参与碰撞的流量，以表深孔碰撞为例，记碰撞流量为Q碰表和Q碰深，碰撞点空间坐标(X碰，Y碰，Z碰)，记碰撞前的速度矢量V碰表与V碰深；
S7、根据动量方程计算碰撞后的流速方向，Q并V并＝Q表V碰表+Q深V碰深，根据碰撞点坐标(X碰，Y碰，Z碰)及碰撞后流速V并，计算碰撞后水体核心的落水点坐标(X碰落，Y碰落，Z碰落)；
S8、使用高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配；
S9、依次计算各碰撞水舌落水点，将所有水舌落水范围内的流量叠加，得出碰撞后的入水流量分布形态。
优选地，所述S4中提到的二维高斯分布公式为：
Figure BDA0003438293320000031
式中：μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X落前-X落后)；
σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y落右-Y落左)，落水范围内流量分配的计算公式为：
Figure BDA0003438293320000032
优选地，所述S8中提到高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配，表达式为：
Figure BDA0003438293320000033
式中，Q＝Q并，μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X碰落前-X碰落后)；其中(X碰落前-X碰落后)为碰撞部分水流未碰撞时的最大纵向落水范围；σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y碰落右-Y碰落左)，其中(Y碰落右-Y碰落左)为碰撞部分水流未碰撞时的最大横向落水范围。
与现有技术相比，本发明提供了一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法，具备以下有益效果：
本发明提出了一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法，根据挑流水舌空中自由扩散的现象，采用二维高斯分布描述挑流水舌的流量分配，并根据空中水舌轨迹的计算了碰撞后的水舌落点及落点范围内的流量分配，最后通过各泄洪孔口计算结果叠加判断总体水舌入水分布，通过上述操作，能够更加合理的预测碰撞水舌入水的流量分配，通过计算高坝工程中多层空中水舌碰撞后的入水分布规律，能够为泄洪孔口体型优化和水垫塘防护提供参考。
附图说明
图1为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的水舌入水流量分布形态示意图；
图2为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的水舌空中局部碰撞示意图；
图3为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的坝身泄洪孔不对称布置水舌落水点示意图；
图4为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的坝身泄洪孔不对称布置水舌落水流量分配平面示意图；
图5为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的坝身泄洪孔不对称布置水舌落水流量分配立体示意图；
图6为本发明提出的一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法的坝身泄洪孔不对称布置水舌落水流量分配平面示意图。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-6，一种表深孔水舌空中碰撞后入水分布的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据坝身孔口与下游水垫塘的位置建立空间坐标系，以水垫塘长度方向为坐标轴X，以水垫塘宽度方向为坐标轴Y，高度方向为Z轴，记录各泄洪孔口的各特征坐标；
S2、根据流量计算泄洪孔口的出口流速，结合孔口出口水舌中心的坐标(X出，Y出，Z出)与出口挑角θ，按照空中抛物落体计算水舌中心轨迹，记录水舌核心落水点(X落，Y落，Z落)；
S3、根据孔口边界，包括左右边界以及水舌上下边界，按照空中抛物落体计算水舌落水的边缘位置，记录水舌落水边缘点坐标(X落前，Y落前，Z落前)，(X落后，Y落后，Z落后)，(X落左，Y落左，Z落左)，(X落右，Y落右，Z落右)；
S4、使用二维高斯分布表示水流在落水范围内的分布量；
S4中提到的二维高斯分布公式为：
Figure BDA0003438293320000051
式中：μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X落前-X落后)；
σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y落右-Y落左)，落水范围内流量分配的计算公式为：
Figure BDA0003438293320000061
S5、对所有泄洪孔口重复S1-S4中操作，绘出水舌落水点分布图；
S6、根据计算所得水舌空中轨迹绘制水舌空中轨迹图，分析不同孔口水舌碰撞部分所占的体积比,计算参与碰撞的流量；
S7、根据动量方程计算碰撞后的流速方向，计算公式为：Q并V并＝Q表V碰表+Q深V碰深，再根据碰撞点坐标(X碰，Y碰，Z碰)及碰撞后流速V并，计算碰撞后水体核心的落水点坐标(X碰落，Y碰落，Z碰落)；
S8、使用高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配；
S8中提到高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配，表达式为：
Figure BDA0003438293320000062
式中，Q＝Q并，μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X碰落前-X碰落后)；其中(X碰落前-X碰落后)为碰撞部分水流未碰撞时的最大纵向落水范围；σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y碰落右-Y碰落左)，其中(Y碰落右-Y碰落左)为碰撞部分水流未碰撞时的最大横向落水范围；
S9、依次计算各碰撞水舌落水点，将所有水舌落水范围内的流量叠加，得出碰撞后的入水流量分配。
本发明提出了一种表深孔水舌空中碰撞后入水后流量分布的估算方法，根据挑流水舌空中自由扩散的现象，采用二维高斯分布描述挑流水舌的流量分配，并根据空中水舌轨迹的计算了碰撞后的水舌落点及落点范围内的流量分配，最后通过各泄洪孔口计算结果叠加判断总体水舌入水分布，通过上述操作，能够更加合理的预测碰撞水舌入水的流量分配，通过计算高坝工程中多层空中水舌碰撞后的入水分布规律，能够为泄洪孔口体型优化和水垫塘防护提供参考。
以上所述，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改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种表深孔水舌空中碰撞后入水分布的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据坝身孔口与下游水垫塘的位置建立空间坐标系，以水垫塘长度方向为坐标轴X，以水垫塘宽度方向为坐标轴Y，高度方向为Z轴，记录各泄洪孔口的各特征坐标；
S2、根据流量计算泄洪孔口的出口流速，结合孔口出口水舌中心的坐标(X出，Y出，Z出)与出口挑角θ，按照空中抛物落体计算水舌中心轨迹，记录水舌核心落水点(X落，Y落，Z落)；
S3、根据孔口边界，包括左右边界以及水舌上下边界，按照空中抛物落体计算水舌落水的边缘位置，记录水舌落水边缘点坐标(X落前，Y落前，Z落前)，(X落后，Y落后，Z落后)，(X落左，Y落左，Z落左)，(X落右，Y落右，Z落右)；
S4、使用二维高斯分布表示水流在落水范围内的分布量；
S5、对所有泄洪孔口重复S1-S4中所述操作，绘出水舌落水点分布图；
S6、根据计算所得水舌空中轨迹绘制水舌空中轨迹图，分析不同孔口水舌碰撞部分所占的体积比,计算参与碰撞的流量；
S7、根据动量方程计算碰撞后的流速方向，计算公式为：Q并V并＝Q表V碰表+Q深V碰深，再根据碰撞点坐标(X碰，Y碰，Z碰)及碰撞后流速V并，计算碰撞后水体核心的落水点坐标(X碰落，Y碰落，Z碰落)；
S8、使用高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配；
S9、依次计算各碰撞水舌落水点，将所有水舌落水范围内的流量叠加，得出碰撞后的入水流量分配。
2.根据权利要求1所述的一种复杂空中碰撞水舌入水分布的估算方法，其特征在于：所述S4中提到的二维高斯分布公式为：
Figure FDA0003438293310000021
式中：μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X落前-X落后)；
σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y落右-Y落左)，落水范围内流量分配的计算公式为：
Figure FDA0003438293310000022
3.根据权利要求1所述的一种复杂空中碰撞水舌入水分布的估算方法，其特征在于：所述S8中提到高斯二维分布表示碰撞后水流入水的流量分配，表达式为：
Figure FDA0003438293310000023
式中，Q＝Q并，μ1和μ2取水舌核心落水点的坐标，μ1＝X落，μ2＝Y落，σ1与水舌沿X轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(X碰落前-X碰落后)；其中(X碰落前-X碰落后)为碰撞部分水流未碰撞时的最大纵向落水范围；σ2与水舌沿Y轴方向长度相关，取值为σ1＝(1.2～1.5)×6×(Y碰落右-Y碰落左)，其中(Y碰落右-Y碰落左)为碰撞部分水流未碰撞时的最大横向落水范围。
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