环境风和地形因素在挑流泄洪雾化数学模型中的影响研究.pdf

环境风和地形因素在挑流泄洪雾化数学模型中的影响 练继建 刘眈 (天津大学水利水电工程系，天津300072) 摘要：挑流泄洪雾化是一种复杂的水一气二相流，影响其降雨强度和雾化范围的因素众多。其中，环境风和 地形因素被认为是在数值计算中难以考虑的条件。本文应用蒙特卡罗方法将环境风和地形因素添加到挑流泄 洪雾化数学模型中，在单独考虑环境风和地形因素的影响下，分别计算出四种典型工况条件下的雾化范围和 降雨强度分布规律及雾化范围纵向和横向最远点的平面坐标。结果表明，在考虑环境风和地形因素的影响条 件下，挑流泄洪雾化数学模型的预测结果同原型观测资料结果变化规律相一致。该数学模型可以进一步提高 挑流泄洪雾化范围和降雨强度分布的预测精度，具有一定的实用价值。 关键词：雾化：蒙特卡罗方法：数学模型：环境风；地形 挑流泄洪消能产生的雾化现象是水利水电工程中特有的物理现象，它伴随着水利工程泄洪开 始而产生，又因泄洪结束而消亡。它的产生与消亡受到水力条件(水头、流速、流量等)、边界条 件(消能工体型、下游地形条件等)、气象条件(风速、风向等)、运行条件(闸门开度、孔口运 用组合等)等多种因素的影响，属于复杂的水一气二相流，其中水力条件是影响雾化范围和降雨 强度的首要因素，水头高、下泄流量大，雾化范围和降雨强度显著增大，水雾沿两岸山坡上爬的 高度亦明显增加。泄水建筑物孔口的开启与组合工况对雾化的影响也很显著，在同样水头与流量 的情况下，中孔挑流水舌的初始流速大、入水角小，因此雾化范围和降雨强度都比相同条件下表 孔泄洪时严重。另外，表、中孔水舌空中碰撞时，两岸山坡的降雨范围和强度亦明显增大。上述 影响因素在挑流泄洪雾化数学模型中实现是比较容易的。 地形对雾化的影响主要是近坝区两岸山坡峰壑、坡度及河道形态等因素。雾雨随水舌风扩散， 当遇到阻挡时，则形成降雨落到地面。原型观测资料表明…：河道开阔，水雾容易消散，雾雨爬高 较低；河谷狭窄，水雾不易消散，雾雨爬高较高；河道转弯及岸坡山体变化时，凹岸雾化比凸岸 严重。 气象因素对雾化的影响也比较明显，晴天比阴雨天雾雨范围小，中午比早晚的雾雨范围小， 环境风的方向与大小影响雾雨区范围的延伸和缩短，此外湿度、气压也不同程度地影响雾化的形 成与发展。地形与气象因素被认为是在数值计算中难以考虑的因素，而蒙特卡罗方法随机抽样的 特性使这些因素中的绝大部分很容易被加到现有的数学模型中【2J。 1挑流泄洪雾化数学模型∞1 1．1水滴随机喷溅的数学模型 根据挑流水舌入水喷溅机理和挑流泄洪雾化原型观测资料分析，作出如下基本假定： (1)水滴初始抛射速度Vo满足伽马分布： 厂¨丽1Ⅳ～e音 式中，a=O．25vo。。+1，b=4。 (2)水滴出射角∥满足伽马分布： 加)2南肚百 (2) 式中，a=10成。+I，b=o．1，∥用弧度表示。 (3)水滴的偏移角矽满足正态分布： ． (一一Ⅳ)2 2， (3) 北)=—君P a～z亢 式中，／2=0。～5。，盯=20。～30。。 (4)水滴直径D满足伽马分布： 他)=丽1砒{ (4) 式中，a=2，b=0．5D。 1．2重力和空气阻力及水舌风作用下随机喷溅水滴的运动方程 若水滴在水舌风的环境中运动，且水滴同时受到重力、空气阻力和空气浮力的共同作用。设V， 为自然风速和水舌风速的合成速度，则水滴的运动方程为： 江c，寺钞一巧陋‰) (5) 净c，寺钞‘№y--Vfy) (6)