攔污柵攔污水流阻力形成機(jī)理研究

本項(xiàng)目調(diào)研了河道內(nèi)污物情況；通過(guò)實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)了柵前污物的運(yùn)動(dòng)與聚集情況，測(cè)定了攔污阻力和水流場(chǎng)；采用ANSYS CFX軟件數(shù)值計(jì)算了攔污柵攔污流動(dòng)以及攔污對(duì)泵裝置內(nèi)流的影響。分析了柵前水草團(tuán)下潛的臨界流速與相關(guān)因素之間的關(guān)系及柵前污物聚集特性和阻力形成過(guò)程。 攔污流動(dòng)模擬時(shí)，柵前聚集的水草物理模型，采用了三種形式：（1）將整個(gè)水草團(tuán)看作不透水的實(shí)體，水位差與流速分布計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果稍有差異；（2）結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果推算等效孔隙率，發(fā)現(xiàn)孔隙率很小，這是由于眾多水草葉片遮擋的緣故；（3）采用分形方法表征柵前水草堆積形態(tài)。 河道污物分為水草類，柔性片狀類和硬質(zhì)浮水類三種主要類型。研究結(jié)果表明，懸浮于水流中的柔性片狀污物（編織物）易堵塞攔污柵面，阻水作用強(qiáng)。比重較小的污物（水草）堵塞攔污柵上部柵面，柵前斷面上層流速小、下層流速大，流速方向向下偏轉(zhuǎn)；柵后斷面上層流速小、下層流速大，但流速差異更大，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)明顯的回流和翻滾，流態(tài)嚴(yán)重惡化。攔污柵攔截水草類污物時(shí)存在一臨界流速使后續(xù)水草開(kāi)始下潛。攔污柵攔污水頭損失與污物透水性、柵前流速、柵面堵塞比、攔污柵傾角等因素有關(guān)。柵前水草團(tuán)下潛臨界流速與水流偏轉(zhuǎn)角、水草團(tuán)體積、水草團(tuán)厚度、孔隙率、水草密度和壓差阻力系數(shù)等因素有關(guān)。 采用V型攔污柵和折形攔污柵，可以減小攔污水頭損失，改善柵后流態(tài)。 攔污造成局部水頭損失，并因流速分布惡化造成進(jìn)水流道（或進(jìn)水池）沿程水頭損失增加，結(jié)果造成泵裝置效率降低。由于進(jìn)水部分的整流作用，攔污造成的流速分布惡化不會(huì)影響到水泵進(jìn)口斷面的流速分布。 課題組與國(guó)內(nèi)外同行專家進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流，項(xiàng)目主持人赴美國(guó)Carnegie Mellon University與美國(guó)專家院士進(jìn)行合作研究。在該項(xiàng)目的資助下，已發(fā)表論文10篇，其中SCI、EI、ISTP收錄8篇，SCI期刊錄用1篇，ASME國(guó)際會(huì)議錄用1篇，待發(fā)表論文5篇。申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)，另有2項(xiàng)專利正在申請(qǐng)。培養(yǎng)畢業(yè)碩士研究生2名，并另有2名研究生開(kāi)始相關(guān)的后續(xù)研究。圓滿完成了本項(xiàng)目預(yù)定的研究目標(biāo)與任務(wù)，并超額完成了攔污對(duì)泵站運(yùn)行影響的研究。

泵站和水電站攔污柵阻止污物進(jìn)入葉輪，保證安全運(yùn)行。但攔污阻力增加泵站運(yùn)行費(fèi)用，減小水電站出力，嚴(yán)重時(shí)壓跨柵體，攔污常使低揚(yáng)程泵站效率下降25%以上。.研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水流流速較小時(shí)，來(lái)流污物浮于柵前水面、較松散，不附著柵面，過(guò)流面積未減小，阻力??；當(dāng)水流增大到某一臨界流速時(shí)，挾帶力增強(qiáng)，污物首先緊貼靠近水面的柵面，后來(lái)的污物被水流挾帶下潛至已堵柵面的下部，堵塞新過(guò)流斷面，惡性循環(huán)，攔污阻力急劇增大至極限阻力。.本項(xiàng)目預(yù)測(cè)污物在柵前的行進(jìn)規(guī)律、聚集形態(tài)，基于分形理論建立污物聚集幾何模型，計(jì)算攔污流場(chǎng)和阻力，進(jìn)行模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)驗(yàn)證，總結(jié)臨界流速、極限阻力與污物特性、雷諾數(shù)、進(jìn)水口形狀位置和攔污柵形式等因素的關(guān)系。.本項(xiàng)目能揭示攔污阻力的形成機(jī)理，明確臨界流速的產(chǎn)生條件，計(jì)算極限阻力，為進(jìn)水口及其攔污清污優(yōu)化提供參考，對(duì)提高泵站和水電站運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重大意義。

形成機(jī)理研究是一切定量分析和地質(zhì)災(zāi)害防治的基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，在解決黃土地質(zhì)工程問(wèn)題時(shí)，首先要合理地確定工程地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)所必須的工程地質(zhì)力學(xué)模型，這是地質(zhì)工程問(wèn)題預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，地質(zhì)模型和數(shù)據(jù)的精確性決定分析結(jié)果的可靠性，離開(kāi)可靠的地質(zhì)模型分析任何分析方法和精度都是無(wú)意義的，初步研究表明，黃土斜坡(邊坡)滑塌作用在產(chǎn)生機(jī)理和破壞方式上介于崩塌和滑坡之間，它具有滑動(dòng)變形的機(jī)制、滑床的分布特點(diǎn)，又有崩落、崩塌破壞作用的產(chǎn)物。黃土斜坡滑塌破壞過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：早期后緣拉張破壞、滑體坐落、前緣強(qiáng)度屈服(結(jié)構(gòu)剪切破壞)、坡腳鼓出階段；快速滑動(dòng)階段；破體結(jié)構(gòu)解體、崩落和堆積階段。但目前對(duì)黃土滑塌的成災(zāi)機(jī)理和發(fā)生演化過(guò)程還需要作進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)分析。

由于水流的黏滯性，固體壁面具有無(wú)滑移條件。黏附于固體壁面的流體質(zhì)點(diǎn)與固體壁面之間并無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而是這一層流體質(zhì)點(diǎn)與其鄰近流體質(zhì)點(diǎn)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)摩擦力存在于流體內(nèi)部為內(nèi)摩擦力。最靠近物面處水流的內(nèi)壁摩擦力的合力形成水流與物面之間的摩擦阻力。

繞物體運(yùn)動(dòng)的水流邊界層發(fā)生分離時(shí)，分離點(diǎn)上游將形成一個(gè)低壓旋禍區(qū)，稱為尾跡。與理想流體繞流相比，物體在這一區(qū)域接觸面上的壓強(qiáng)將有所降低。實(shí)際水流中繞流物體上游面與下游面的壓差，形成了壓差阻力。邊界層的分離與接觸面上的壓強(qiáng)分布主要決定于物體本身的形狀，因而壓差阻力也可稱為形狀阻力。

摩擦阻力與形狀阻力組成繞流阻力。對(duì)于流線型物體，邊界層將不發(fā)生分離或分離點(diǎn)已靠近物體的尾部,尾跡區(qū)域減小，從而形狀阻力減小，摩擦阻力在繞流阻力中將占主要地位。對(duì)于非流線型物體特別是鈍形物體，形狀阻力成為繞流阻力的主要部分。

有限翼展翼型或其他非二維物體在水流繞流中產(chǎn)生舉力時(shí)，翼型后面將形成沿流動(dòng)方向向下游伸展的尾渦(自由渦)。由尾渦誘導(dǎo)而產(chǎn)生下洗流動(dòng)，從而產(chǎn)生沿流動(dòng)方向的阻力稱為誘導(dǎo)阻力。

物體在水流中的加速運(yùn)動(dòng)或水流繞物體的不恒定流動(dòng)，都會(huì)由于水流的慣性而產(chǎn)生附加的阻力，通常用某個(gè)假設(shè)的附加質(zhì)量與物體加速度的乘積表示。這個(gè)附加阻力稱為慣性阻力。

物體在具有自由水面的水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體后生成重力波，為維持重力被作功所引起的阻力稱為被阻。例如船舶在水面上航行時(shí)產(chǎn)生水波，由此而產(chǎn)生的阻力稱為興被阻力 。

由于邊界層分離，物面壓強(qiáng)發(fā)生很大變化，特別是物體尾部形成尾流區(qū)，壓強(qiáng)降低，形成上下游較大壓強(qiáng)差。壓強(qiáng)沿物面積分可得壓差阻力，亦稱形狀阻力 。