製藥廠汙水流量計在有限流動水域浮體結構對水流結（jié）構的（de）影響
點擊次數：2236 發布時間：2021-08-19 07:56:31
摘要:基於物理模型試驗，研（yán）究浮體結構在有限（xiàn）流動水域運行過（guò）程中對下遊水流（liú）流動結構產（chǎn）生的影響。在不同浮體結構位置及來流條件下（xià），對下遊（yóu）水流結（jié）構特征斷麵的流（liú）速分布、流（liú）速不均勻係數以（yǐ）及回流（liú）區長度進行了測量分析。結果表明:浮體結構位置對流速分布及流速（sù）不均勻係（xì）數存在明顯影響;來流條件的（de）改變（biàn）同樣對兩者（zhě）有較大的影響（xiǎng），其影響隨著來流流量的增（zēng）大而增大;回流區（qū）的長度受浮體結構位置以及來流流量影響都較大。在實際工程（chéng）中，應重點關（guān）注浮體結構位置及來流（liú）流量變化引起的水流（liú）流動結構改變。
浮體結構閘門作為一種新型的環（huán）境友好型閘門在平原水利防洪工程（chéng）中得到廣泛的應用。受邊界以及流動特性的影響，有限流（liú）動水域中的浮體結構水動力變化更為複雜，易導致浮體結構傾覆，從而影響工程（chéng）安全。水流結構的變化對浮體結構穩定性起到關鍵作用。邢（xíng）殿錄等對比無限和有限水域，認為有限水域中邊界的存在（zài）影響浮體結構的水動力係數。陸彥分析浮箱門在靜水和動水中的穩定性及其影響因素，對浮箱門在運行過程中的周圍水力特性進行描述，並給出了增加沉浮穩定性的措施。Johnson等（děng）采用物理模型試驗對淹（yān）沒狀態下的防波堤在周圍波浪以及水流作用下（xià）的影響進行分析，通（tōng）過3種不（bú）同的數值模型對比並描（miáo）述了浮式防波堤對周（zhōu）圍（wéi）水流流態分布及波高的影響。傅宗甫等基於水力（lì）學模型（xíng）試驗，分析了（le）新型（xíng）浮（fú）體閘在動水中沉浮的水力特性，得到不同（tóng）位置下影響浮體（tǐ）閘穩定性的因素，同時提出提高浮體閘沉浮安全性的方式。蘇禮邦對浮體啟閉閘門在流動水域中的運行進行了理論研（yán）究和模型試（shì）驗，得到浮體（tǐ）門受初始潮位影響較大、減小上下遊水頭差可減（jiǎn）小浮體門的受力從而（ér）提高穩定性的結論，為大型浮體門的結構設計和操作運行控製提供了技術支持。Ｒey等采用試驗（yàn）方法模擬了水流作用下的（de）淹沒平板的水力荷載，得到水（shuǐ）流對反（fǎn）射係數及作用在平板上的水平力（lì）影響巨大、對垂直作用力卻影響微小的結（jié）論。Venugopal等得到不同浮體結構體型以及吃水深度對其表麵受力（lì）影響巨大。崔貞等采用物理模型試驗以及數值（zhí）模擬對不同浮體結構在不同水力特性下的水流結構以及傾覆性進行研究，研究不同參數對浮體結構的影響，為有限流動水域中浮體結構的穩（wěn）定性（xìng）提供（gòng）參考依據。以（yǐ）上研究（jiū）大多對浮體（tǐ）結構（gòu）的穩定性及（jí）所受作（zuò）用力進行研究，對水流結（jié）構（gòu）及其影（yǐng）響因素研究較少（shǎo）。本文（wén）通過物理模型試驗，對不同來流條件下及（jí）不同（tóng）位置下（xià）的浮體結構在有限（xiàn）動水作用下的下遊水流結構進行分析（xī）。通（tōng）過（guò）對比不同來流以及位置下的水力特性（xìng），分別對特征斷麵的流速分布特征（zhēng）、斷麵流速的不均勻係數以及回流區的（de）變化特性進行比較分析，以期為（wéi）有限水域浮體結構在動水運行過程（chéng）中的周圍水流變化（huà）特性以及其穩定性分析提供依據。
1試驗裝置及參數設計
1．1試（shì）驗（yàn）裝置
為探究浮體結構在不同位置以及不同來流流（liú）量對下遊水流結構的影響，在長、寬、高分別為10.00m、0.30m和0.50m的有機玻璃水槽中進行物理模（mó）型試驗（yàn）(圖1)。浮體結構位於水槽中（zhōng）間區域，通過閘門調速裝（zhuāng）置對浮體結構的位置進行精確控製，對下遊區域流速采用ADV進行測速，並采用製藥廠汙（wū）水流量計進行流量監測。
1．2試驗參數設計
有限水域的浮體結構在不同來流動水中運行時，浮體結構位置的改變會對流場產生影（yǐng）響，從而影響浮體結構的泄流能力以及穩定性（xìng）。試驗過程（chéng）中固定浮體結構的體型（xíng）不變(長L=0.20m，寬B=0.30m，高a=0.10m)，分別選（xuǎn）取4種不同（tóng）來流流量（liàng）Q及浮體結構位置e，控製浮體結構在上、下遊（yóu）水（shuǐ）位不變的條件下進行試驗，具體試驗參數設計及說明見表1以及圖2。
2結果及分析（xī）
來自（zì）上遊的水體經浮（fú）體結構（gòu）的阻擋作用（yòng），水流繞流經浮體結構的上部（bù）和下部區域通過（guò），並在浮體（tǐ）結構（gòu）背水麵的下遊區域形成小範圍回流（liú）區（qū），此處水流（liú）紊亂，流速（sù）分布不（bú）均（jun1）勻。試驗過程中，對回流區沿水流方向的長度D(水槽（cáo）縱（zòng）向中心斷麵（miàn）處，自浮體結構背水麵到沿水流方（fāng）向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結構下遊區域回流區中心（xīn）點所在斷麵進行流速測量對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。
2．1不同浮體位置對斷麵流速分布的（de）影響
圖（tú）4橫坐標為斷麵水流方向流（liú）速（sù），縱坐標為測點垂（chuí）向位（wèi）置與下（xià）遊水位（wèi）的比值y/H'。隨著浮體結構位置的上升，*小斷麵流速位置（zhì）同（tóng）樣上升。以圖3(a)為例，當e=0.02m時，下遊斷麵位置自下而上呈現先減小、後增大的趨勢，在y/H'=0.40時流速達到（dào）*小，隨（suí）著浮（fú）體結（jié）構（gòu）位置的上升，*小流速呈現向上偏移的趨（qū）勢。在斷麵位置（zhì）y/H'=0.20時，隨著（zhe）e的增大，流速呈（chéng）現（xiàn）增大的趨勢。當e較小時，流經浮體結構下部進（jìn）行下泄的水流較少（shǎo），主流出現在浮體結構的上部（bù），且在浮體結構的阻擋作用下（xià）出現回（huí）流（liú）區;隨著e上升，主流偏向浮體結構下（xià）部區域，流速增大。與y/H'=0.20的流速分布正好相反，當y/H'=0.80時，流速分布隨著浮體位置的增（zēng）大而減小。隨著e的增大，通過浮體結（jié）構下（xià）部泄流的水體增多，主流開始（shǐ）向下偏移。試驗過程中，浮體結構處於淹沒狀態，流速的（de）分布隨著浮體位置（zhì）的改變呈（chéng）現上大、中小（xiǎo）、下大的分布（bù）趨勢，在浮體（tǐ）結構下遊區域形成回（huí）流區，回流區的位置隨著浮（fú）體結構的上升而上（shàng）升。
2．2不同來流流量對斷麵流速分布的影響
由圖5可知（zhī），當e相同時，斷麵*小流速發生的位置相同，發生在浮體結構下遊回流區位置。隨著來（lái）流流量的增大，流（liú）經浮體結構下泄的水流流速在上層和下（xià）層水體中呈現增大的趨勢。浮體結構位置不變，由於受（shòu）到浮體結構的擠壓，上遊來流分別經過浮體結構上部、下部進行泄流，因此在下遊區域的上（shàng）層、下層水（shuǐ）體中，流（liú）速較大;受浮體結構的阻擋，浮體結構下遊區域形成回流區，流速較小。試驗過程中，由於（yú）控製浮體（tǐ）結構所在水域的（de）上遊、下遊水位不發（fā）生變化，因（yīn）此隨著來流流量的增（zēng）大，流（liú）速呈現增大的趨勢。
2．3特征流速以及不均（jun1）勻係數
流速沿斷麵分布（bù）的均勻（yún）特性可以通過流（liú）速分布不均勻係數進行表征，通過（guò）所選取斷麵*大流速（sù）和*小流（liú）速的差值與該斷麵平均流（liú）速的比（bǐ）值，δ值越大表（biǎo）明浮體結（jié）構的存在對水流斷麵流速的分（fèn）布產生的影響較大。表2中，當來流流量相同（tóng）時，流速的（de）不均（jun1）勻係數多數（shù）隨e的增大而減（jiǎn）小。浮體結構位置較小時，主流（liú）為（wéi）浮體（tǐ）結構（gòu）上部的水流。隨著浮體結構（gòu）位置的上升，來自上遊（yóu）的水體逐漸分成浮體結構上部和下部的（de）兩股主流，流速分布的不均性減小。浮體結構位置及（jí）所處水位條（tiáo）件相同時，來流流（liú）量的增大，區域的平均流速增大，因此流速不均勻性減小。
2．4回流區長度分析
表3中，當來流流量較小時(Q=0．015m3/s)，回流區的長度D隨著浮體結構位置的增大逐（zhú）漸增大;當（dāng）來流流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區的（de）長度卻隨著（zhe）浮體結構位置（zhì）的增大呈現減小（xiǎo）的趨勢。試驗過程中，當浮體結構位置較高且來（lái）流較（jiào）小（xiǎo）時（shí），浮體（tǐ）結（jié）構上（shàng）下部區（qū）域（yù）的主流流速較小，回流區範圍較大;浮體結構位置不變時，來流（liú）流量增大，回流區長度減小。來流增加，下泄水流流速較（jiào）大，並迅速將（jiāng）回流區內的水流帶入下遊區域，因此回流區長度反（fǎn）而呈現減小趨勢。
3結論
a．浮（fú）體結構下遊回流區水流流速分布呈現上大、中小、下大的分布規律，受浮體結構（gòu）位置的影（yǐng）響較明（míng）顯;*小流速出現在（zài）浮體結構背（bèi）水麵的下遊區域，且主流隨著浮體（tǐ）位置的變化而（ér）發生（shēng）偏移。
b．來流流量的增大會引起整體流速增大（dà），而*小（xiǎo）流速發生位置幾乎不受影響。
c．隨著（zhe）浮體結構位（wèi）置的增大，流速的不均勻係數多數呈減小趨勢。
d．不同位置的浮體結構對回（huí）流區的範（fàn）圍存在影響（xiǎng），且隨著流量的（de）變化而發生變化:流（liú）量較（jiào）小時(Q=0.015m3/s)，隨著（zhe）位置的（de）增大回流（liú）區長度增大;流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區長度呈現減小趨勢。在實際工程中，應注意由於浮體結構位置引起的水流結（jié）構（gòu）改變，並通過合理調控（kòng）來流流量確保浮體的安全。
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1試驗裝置及參數設計
1．1試（shì）驗（yàn）裝置
為探究浮體結構在不同位置以及不同來流流（liú）量對下遊水流結構的影響，在長、寬、高分別為10.00m、0.30m和0.50m的有機玻璃水槽中進行物理模（mó）型試驗（yàn）(圖1)。浮體結構位於水槽中（zhōng）間區域，通過閘門調速裝（zhuāng）置對浮體結構的位置進行精確控製，對下遊區域流速采用ADV進行測速，並采用製藥廠汙（wū）水流量計進行流量監測。
1．2試驗參數設計
有限水域的浮體結構在不同來流動水中運行時，浮體結構位置的改變會對流場產生影（yǐng）響，從而影響浮體結構的泄流能力以及穩定性（xìng）。試驗過程（chéng）中固定浮體結構的體型（xíng）不變(長L=0.20m，寬B=0.30m，高a=0.10m)，分別選（xuǎn）取4種不同（tóng）來流流量（liàng）Q及浮體結構位置e，控製浮體結構在上、下遊（yóu）水（shuǐ）位不變的條件下進行試驗，具體試驗參數設計及說明見表1以及圖2。
2結果及分析（xī）
來自（zì）上遊的水體經浮（fú）體結構（gòu）的阻擋作用（yòng），水流繞流經浮體結構的上部（bù）和下部區域通過（guò），並在浮體（tǐ）結構（gòu）背水麵的下遊區域形成小範圍回流（liú）區（qū），此處水流（liú）紊亂，流速（sù）分布不（bú）均（jun1）勻。試驗過程中，對回流區沿水流方向的長度D(水槽（cáo）縱（zòng）向中心斷麵（miàn）處，自浮體結構背水麵到沿水流方（fāng）向流速為0的*遠位置點)進行量測。選取浮體結構下遊區域回流區中心（xīn）點所在斷麵進行流速測量對比。流速測量斷麵位置A-A見圖3。
2．1不同浮體位置對斷麵流速分布的（de）影響
圖（tú）4橫坐標為斷麵水流方向流（liú）速（sù），縱坐標為測點垂（chuí）向位（wèi）置與下（xià）遊水位（wèi）的比值y/H'。隨著浮體結構位置的上升，*小斷麵流速位置（zhì）同（tóng）樣上升。以圖3(a)為例，當e=0.02m時，下遊斷麵位置自下而上呈現先減小、後增大的趨勢，在y/H'=0.40時流速達到（dào）*小，隨（suí）著浮（fú）體結（jié）構（gòu）位置的上升，*小流速呈現向上偏移的趨（qū）勢。在斷麵位置（zhì）y/H'=0.20時，隨著（zhe）e的增大，流速呈（chéng）現（xiàn）增大的趨勢。當e較小時，流經浮體結構下部進（jìn）行下泄的水流較少（shǎo），主流出現在浮體結構的上部（bù），且在浮體結構的阻擋作用下（xià）出現回（huí）流（liú）區;隨著e上升，主流偏向浮體結構下（xià）部區域，流速增大。與y/H'=0.20的流速分布正好相反，當y/H'=0.80時，流速分布隨著浮體位置的增（zēng）大而減小。隨著e的增大，通過浮體結（jié）構下（xià）部泄流的水體增多，主流開始（shǐ）向下偏移。試驗過程中，浮體結構處於淹沒狀態，流速的（de）分布隨著浮體位置（zhì）的改變呈（chéng）現上大、中小（xiǎo）、下大的分布（bù）趨勢，在浮體（tǐ）結構下遊區域形成回（huí）流區，回流區的位置隨著浮（fú）體結構的上升而上（shàng）升。
2．2不同來流流量對斷麵流速分布的影響
由圖5可知（zhī），當e相同時，斷麵*小流速發生的位置相同，發生在浮體結構下遊回流區位置。隨著來（lái）流流量的增大，流（liú）經浮體結構下泄的水流流速在上層和下（xià）層水體中呈現增大的趨勢。浮體結構位置不變，由於受（shòu）到浮體結構的擠壓，上遊來流分別經過浮體結構上部、下部進行泄流，因此在下遊區域的上（shàng）層、下層水（shuǐ）體中，流（liú）速較大;受浮體結構的阻擋，浮體結構下遊區域形成回流區，流速較小。試驗過程中，由於（yú）控製浮體（tǐ）結構所在水域的（de）上遊、下遊水位不發（fā）生變化，因（yīn）此隨著來流流量的增（zēng）大，流（liú）速呈現增大的趨勢。
2．3特征流速以及不均（jun1）勻係數
流速沿斷麵分布（bù）的均勻（yún）特性可以通過流（liú）速分布不均勻係數進行表征，通過（guò）所選取斷麵*大流速（sù）和*小流（liú）速的差值與該斷麵平均流（liú）速的比（bǐ）值，δ值越大表（biǎo）明浮體結（jié）構的存在對水流斷麵流速的分（fèn）布產生的影響較大。表2中，當來流流量相同（tóng）時，流速的（de）不均（jun1）勻係數多數（shù）隨e的增大而減（jiǎn）小。浮體結構位置較小時，主流（liú）為（wéi）浮體（tǐ）結構（gòu）上部的水流。隨著浮體結構（gòu）位置的上升，來自上遊（yóu）的水體逐漸分成浮體結構上部和下部的（de）兩股主流，流速分布的不均性減小。浮體結構位置及（jí）所處水位條（tiáo）件相同時，來流流（liú）量的增大，區域的平均流速增大，因此流速不均勻性減小。
2．4回流區長度分析
表3中，當來流流量較小時(Q=0．015m3/s)，回流區的長度D隨著浮體結構位置的增大逐（zhú）漸增大;當（dāng）來流流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區的（de）長度卻隨著（zhe）浮體結構位置（zhì）的增大呈現減小（xiǎo）的趨勢。試驗過程中，當浮體結構位置較高且來（lái）流較（jiào）小（xiǎo）時（shí），浮體（tǐ）結（jié）構上（shàng）下部區（qū）域（yù）的主流流速較小，回流區範圍較大;浮體結構位置不變時，來流（liú）流量增大，回流區長度減小。來流增加，下泄水流流速較（jiào）大，並迅速將（jiāng）回流區內的水流帶入下遊區域，因此回流區長度反（fǎn）而呈現減小趨勢。
3結論
a．浮（fú）體結構下遊回流區水流流速分布呈現上大、中小、下大的分布規律，受浮體結構（gòu）位置的影（yǐng）響較明（míng）顯;*小流速出現在（zài）浮體結構背（bèi）水麵的下遊區域，且主流隨著浮體（tǐ）位置的變化而（ér）發生（shēng）偏移。
b．來流流量的增大會引起整體流速增大（dà），而*小（xiǎo）流速發生位置幾乎不受影響。
c．隨著（zhe）浮體結構位（wèi）置的增大，流速的不均勻係數多數呈減小趨勢。
d．不同位置的浮體結構對回（huí）流區的範（fàn）圍存在影響（xiǎng），且隨著流量的（de）變化而發生變化:流（liú）量較（jiào）小時(Q=0.015m3/s)，隨著（zhe）位置的（de）增大回流（liú）區長度增大;流量較大時(Q=0．024m3/s)，回流區長度呈現減小趨勢。在實際工程中，應注意由於浮體結構位置引起的水流結（jié）構（gòu）改變，並通過合理調控（kòng）來流流量確保浮體的安全。
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