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基于3D 打印物模的输水渡槽出口流态优化试验

2022-09-15马山玉王志刚曲晓宁崔航飞

水科学与工程技术 2022年4期
关键词:水力学渡槽流态

马山玉,李 钊,王志刚,曲晓宁,崔航飞

(1.河南省水利勘测设计研究有限公司,郑州 450016;2.中国南水北调集团中线有限公司河南分公司,郑州 450016)

南水北调中线工程是跨地区、 跨流域的特大型调水工程,全线采用自流输水方式。中线干线工程澧河渡槽, 设计输水流量320m3/s, 加大流量380m3/s。2020年4月末,中线工程开启运行以来第一次大流量输水, 陶岔入渠流量从350m3/s提升至420m3/s。 在此期间,澧河渡槽出现流态紊乱现象,槽内水位异常波动,渡槽出口出现明显的卡门涡街现象[1],一定程度上制约了中线工程的调水能力, 亟需研究流态紊乱原因并提出流态优化工程措施。

针对卡门涡街[1、2]的研究较多,消除卡门涡街的工程措施研究较少。 在参考南京三叉河河口闸过闸水流流态改善措施[3]和南水北调中线工程十二里河渡槽流态优化措施[1]的基础上,以澧河渡槽为典型,基于高精度三维水动力学数值计算开展输水渡槽流态分析研究。为验证数值计算成果的准确性,考虑到水工物模试验成本高,周期长的特点,基于3D打印物理模型, 对渡槽出口新建不同长度三角形导流墩后流态改善程度,开展了定性试验研究。

1 3D打印水力学模型设计与制造

1.1 澧河渡槽工程概况

澧河渡槽采用双槽布置形式,渡槽总长736m,渡槽为矩型截面,宽10m,设计水深6.13m,加大水深6.83m,渡槽顶部设拉杆横梁,底部距离加大水位0.1m。 渡槽进、出口闸室中隔墩厚度5m,进出口中隔墩端部分别倒角1.8m和1.3m;渡槽上、下游采用渐变段与梯型总干渠连接。 澧河渡槽工程布置如图1。

图1 澧河渡槽布置示意图

1.2 水力学模型设计

澧河渡槽流态优化试验水力学模型按照重力相似准则,采用正态模型。 以澧河渡槽竣工图构建BIM模型,在满足水深不宜小于3cm的前提下,以3D打印机可打印的最大尺寸确定模型比例为1∶200。模型主要用于流态定性研究,基于3D打印技术和材料制作的模型表面糙率达不到比尺相似要求,但对试验成果影响不大,可不校正模型糙率,局部不平整处稍作打磨,过水断面涂抹固态石蜡降低表面黏滞力。

1.3 模型制作

使用3D打印机,选用新型生物降解塑料PLA按1∶200的尺寸打印澧河渡槽建筑物, 包括50m长进口渠道、进口渐变段、进口闸室段渠道、渡槽、渡槽出口闸室段渠道、渡槽出口渐变段等,使用AB结构胶将分块打印的模型黏接成整体。 用有机玻璃制作蓄水槽及前池水槽,3D打印渡槽模型按高程比例用胶结固定在蓄水槽内。设隔板将前池水槽与蓄水槽隔离,渡槽进口渠道与前池隔梯形缺口黏接, 渡槽出口为自由状态。蓄水槽外部设储水箱,通过变频水泵将水箱内的水按一定的流量抽到前池水槽, 经稳流后流入渠道模型内。水流从模型出口流出后进入蓄水槽,蓄水槽内设带有截止阀的排水管。 通过变频调节进入前池水槽的水量, 通过调节排水管上的截止阀控制排水流量。 3D打印部分模型如图2,水力学模型如图3。

图2 3D打印物理模型

图3 水力学试验模型

1.4 水力学模型水流量及调控

3D打印水力学模型几何比尺为λL=200, 则流量比尺λQ为式(1):

渡槽设计流量320m3/s,物模流量为式(3):

水力学模型试验应在设计流量至加大流量的状态下进行,模型的试验流量应调控到0.672~0.566L/s。水力学模型使用变频水泵形成循环水流, 水泵流量4000L/h,共20个变频档位。 以10min为单位,量测抽到蓄水槽的水的体积,可推算水泵的流量。经过反复的试验,水泵的电机处于12档时流量约0.67L/s;电机处于10档时流量约0.57L/s。 设计流量试验前,先将蓄水槽内的水蓄到渡槽出口处水深3.07cm; 加大流量试验前, 先将蓄水槽内的水蓄到渡槽出口处水深3.41cm,同时开启水泵和排水阀,将水泵电机调整到验证的档位,维持渡槽模型的水位和流量,验证导流墩安装前和安装不同长度导流墩的流态。

2 物理模型试验

通过数值模型模拟的方式, 综合考虑对原建筑物结构影响、施工难度、流态改善程度、投资等因素后,推荐在渡槽出口新建三角形导流墩,并用数值模型定量研究分析了出口新建10,20,30,40m 4种长度的导流墩方案。

为验证数值模型的准确性, 采用3D打印水力学模型开展试验, 研究在渡槽出口新建不同长度导流墩的流态。以3D打印水力学模型,选取现状及出口加装20,30,40,60m长度导流墩分别进行流态模拟,定性对比分析加装不同长度导流墩后对流态变化的影响趋势,并与数值模型分析流态对比验证。

2.1 现状出口流态模拟

3D打印物理模型试验可以完整模拟澧河渡槽出口流态,现状条件下,澧河渡槽出口局部流态紊乱,成旋涡状向前发展,与实际情况相符。物模模拟现状流态如图4。

图4 渡槽出口现状流态

2.2 出口加装20m长度导流墩流态模拟

出口加装20m长度导流墩后,澧河渡槽出口流态有一定改善,但总体还成旋涡状向前发展。 流态如图5。

图5 渡槽出口加装20m导流墩流态

2.3 出口加装40m长度导流墩流态

出口加装40m长度导流墩后,澧河渡槽出口流态改善明显,旋涡状基本消失。 流态如图6。

图6 渡槽出口加装40m导流墩流态

2.4 出口加装60m长度导流墩流态情况

出口加装60m长度导流墩后,澧河渡槽出口流态基本稳定,旋涡状消失,与加装40m导流墩效果基本相同。 流态如图7。

图7 渡槽出口加装60m导流墩流态

3 物理模型试验与数值模型对比分析

为研究对比3D打印水力学模型的可靠性, 对比分析了渡槽出口未安装导流墩前现场的实际流态、3D打印物模模拟的流态和数值模型模拟的流态,以及在渡槽出口加装不同长度导流墩后, 通过数模和物模分别模拟的流态。

3.1 初始状态渡槽出口流态对比分析

3.1.1 渡槽现状实际流态

根据现场观测显示,渡槽过流320m3/s流量时,澧河渡槽出口渐变段流态紊乱, 左右两槽水流以中隔墩为中心,呈周期性摆动现象,摆动周期约为8s,并伴随有旋转方向相反的反对称旋涡向下游传递,即呈现出流体力学中典型的”卡门涡街”现象,流量越大流态越紊乱,现场实际流态如图8(a)。

3.1.2 3D打印模型模拟流态

采用3D打印水力学模型, 模拟加大流量下渡槽出口的流态如图8(b),渡槽出口的卡门涡街现象,流态摆动趋势与实际流态接近。

3.1.3 数值模型模拟流态

数值模型模拟渡槽出口流场分布如图8 (c),流态如图8(d),模拟结果显示:由于出口墩头宽平,渠水急剧绕流,使得墩头后流态紊乱,左右两槽水流以中隔墩为中心,呈周期性摆动现象,数模、物模模拟结果与澧河渡槽当日现实观测结果完全一致。

图8 现状出口流态对比

3.2 数值模型出口加装不同长度导流墩流态

为给消除流态紊乱的工程措施及方案设计提供参考依据,采用数值模型,模拟了渡槽出口新建10,20,30,40m三角形导流墩的流态,数值模型计算不同尺寸导流墩流速分布如图9。

图9 数值模型出口不同尺寸导流墩流速分布

流态对比结果显示,出口安装10m导流墩后“卡门涡街”现象仍未消失,但与现状相比尾流摆动幅度和频率有所降低;20m导流墩“卡门涡街”现象基本消失, 但仍存在微小摆动;30m和40m导流墩尾流摆动现象完全消失。随着导流墩的加长,左右侧流速分布更加对称。

3.3 对比分析

3D打印物理模型能够模拟出渡槽现状流态,能与数值模型和现场观测现象吻合。 通过对出口加装不同尺寸导流墩进行流态模拟试验,3D打印物理模型试验可定性模拟渡槽流态的变化趋势, 通过试验可知渡槽出口加装30m(或大于30m)长度导流墩后,澧河渡槽出口流态改善明显,旋涡状基本消失,与数值分析结果及推荐优化方案结论基本一致。

4 结论和建议

(1)3D打印水力学物理模型,可以用于试验研究建筑物现状流态和优化措施流态。

(2)3D打印模型糙率高、打印效率低,建议复杂的曲面采用3D打印, 模型的平面部分采用与比尺糙率接近的亚克力等材料, 将3D打印的模型精细打磨后与亚克力材料黏接形成水力学模型。

(3)用于流速分布、体型优化等模型试验研究时,建议采用大型3D打印机和大比尺模型,可提高试验数据的精度。

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