摘要：：随着我国水利水电事业的发展，雾化问题越来越受到人们的关注。通过对雾化模型的研究，提出影响雾化溅水的主要因素，用量纲分析方法推出雾化溅水区纵向范围的估算式。并根据一定的模型相似率，测出雾化溅水的范围，对泄洪雾化数学计算模型进行了验证，为预报雾化危害提供强有力的依据。
关键词：泄洪雾化；模型试验；溅水
中图分类号：TV131 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2007）03-0101-02
Rough Calculation on a Longitudinal Range in Splash Region of Atomization
YAO Ke-ye ，QU Jing-xue，XIE Bo
(State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu610065，China)
Abstract：With the development of hydropower, atomization, draw more and more people"s attention.
Based on the study of the model of atomized, according to single model similar rate, the extent of splash
region was measured, the mathematical model of atomi-
zation is validated, and a strong basis for hazard prediction spray is provided.
Key Words：atomization；the model test；splash
高速水流的泄洪雾化，是指泄水建筑物泄水时，水舌在空中掺气扩散，水舌碰撞、破碎，以及水舌入水时溅水所形成的一个复杂的水—气两相流物理现象，是一种非自然降雨过程与水雾弥漫现象。水流雾化的机理就是挑流水舌在挑射过程和入水击溅过程中产生的大量水滴，在与周围空气、水舌风的相对运动影响下，促使水滴完全破碎而形成雾流。
1 雾区的划分和雾源的分析
对于高速水流的泄洪雾化范围的分区和雾化的主要来源，不同的专家学者之间存在不同意见，尚未达成一致的认识。但是综合各种研究、测量和观测结果可以看出，它们之间的差异并不大，只存在细微的差别，总体上是一致的。
1.1 雾区的划分
南京水科院柴恭纯、陈惠玲按降水量和形态将雾化影响区分为［1］：特大降水区（降雨强度大于
600 mm/h）、强降水区（降雨强度140 mm/12 h~600 mm/h）、一般降水区（降雨强度小于140 mm/12 h）和雾流区（雾滴飘浮区）；原武汉水利电力大学梁在潮教授按形态划分为［2］：水舌溅水区、强暴雨区、雾流降雨区和薄雾大风区；长江水科院肖兴斌按其雾化浓度和降雨强度把雾化区分为三部分［3］：浓雾暴雨区、薄雾降雨区和淡雾水汽飘散区；文献［4］将雾化区也分为三部分：溅水区、雾雨区和水雾飘散区，并明确指出各区之间的划分界限。
综上所述，结合工程实际角度，可按雾化的影响程度和雾雨强度分为：强降雨区（溅水区）、雾
流降雨区以及淡雾水汽飘散区。而且可认为淡雾水汽飘散区是没有降雨的区域，对工程基本没有影响。
1.2 雾源的分析
根据文献［1］，挑流水舌跌入下游时，因水流的激溅反弹作用，在入水点周围会形成一个较强的降水区域，并伴随明显的雾化现象，这是就构成了雾化源。文献称水舌在空中碰撞、撞击形成的雾源称为第一雾源区，下游入射形成的雾源为第二雾源区。
第二雾源区的水体以溅抛的形式向四周抛射，形成溅水区，其雾化降雨强度非常大，对下游两岸边坡的稳定和下游建筑物影响很大。根据很多观测结果表明，空中水舌掺气散裂所产生的雾化源较小，雾源主要是水舌落水区的激溅引起的，即水舌溅水区是雾化形成的主要来源。
2 水舌溅水范围的分析和验证
有鉴于此，人们曾对溅水区开展了众多的研究，例如：李奇伟曾将溅激水块近似看成是弹性刚体，并对其在一定的水舌风作用下做斜抛运动所形成的溅水区进行了探讨；随后，王翔对溅水区的范围进行了进一步的修正；刘永川的研究成果表明，水舌入水区后确实存在稳定的溅水区，且其溅水范围可近似用李奇伟所建议的估算式进行估算；梁在潮根据溅水水滴的反弹特性分析，建立了水滴受重力、浮力、空气阻力和水舌风影响下的溅水水滴抛射运动轨迹，并得出溅水水滴的最大纵向溅抛距离和横向溅抛距离；刘士和根据碰撞理论分析与试验验证，结合动量和能量守恒定理，得出以溅水纵向距离最大的溅水长度公式［6］。显然人们对溅水区范围的估算已进行了相对较多的研究，所得到的估算式、计算式较多，但由于溅水的随机性，对其机理的认识仍显不足，有待进一步研究。
根据研究，水舌溅水的范围主要与水舌入水流速、水舌入水角以及空气阻力有关，这在梁在潮教授溅水公式中也表明如此［7］。而本文认为水舌入水流速、水舌入水角以及空气阻力又与水流单宽流量、挑坎出口流速、上下游水位差、鼻坎水头以及挑角相关，考虑有挑坎出口流速的控制，所以忽略了鼻坎水头和挑角的影响。
泄洪雾化溅水区纵向长度的估算公式可通过量纲分析得到：假定溅水区纵向长度L与水流单宽流量q、挑坎出口流速u0、上下游水位差H有关，设
为研究雾化问题，根据某水电站工程雾化模型（比尺1∶30）进行模型试验研究，雾化模型除了满足一般水力学试验的重力相似原则，还应当满足表现水流表面张力的韦伯数相似，根据文献［1］，模型水舌表面韦伯数应满足：We＞600，此时测得的降雨分布可直接应用到原型。试验测得该模型水舌韦伯数We在610～1 500之间，均大于600。该工程是典型的V型河谷，雾化流沿两岸山坡向上爬行。为了精确测得其溅水范围，在纵向方向每33 cm（原型为10 m）布置一个汲水盒，从水舌落点附近开始一直到电站尾部；在横向方向，两岸山坡高程每上升3或5 m（根据地形需要）布置一个汲水盒；厂房附近测点加密布置，总共布置77个测点，左岸布置40个，右岸布置37个，厂房在左岸，距挑坎大约130 m处。实验过程中，还要人工为观测， 摄像拍照以确保实验的准确性。
利用该雾化模型得出试验数据，见表1。其中L1(m)为实验测得的纵向最大距离，公式（2）中有两个待定系数，因此用正常水位和设计水位的数据先求得系数C、k3，建立方程组为：
3 结 论
（1）溅水区是雾化的暴雨中心，对工程的潜在威胁最大，对其范围做出正确而准确的估算是一项重大的工作，具有特殊意义，但因为挑流水舌的激溅具有很强的随机性，不能单纯的用某一公式来概化清楚，应综合考虑各种成果加以分析。
（2）本文所得的溅水区纵向距离的估算公式（4）只是针对一个模型试验的不同工况而得，虽然吻合得很好，但是相对比较局限，须进一步用各种观测资料进行验证。该公式考虑模型试验的反复性和随机性，且考虑了影响雾化的最主要因素，所以具有一定的参考价值。
参考文献：
［1］ 柴恭纯，陈惠玲．高坝泄洪雾化问题的研究［J］．山东工业大学学报，1992，22（3）．
［2］ 梁在潮．雾化水流计算模式［J］．水动力学研究与进展［J］，1992，7（3）．
［3］ 肖兴斌．高坝挑流水流雾化问题研究综述［J］．长江水利教育，1997，14（1）：69-72．
［4］ 林可冀，刘永川．安康水电站泄水建筑物的水力学原型观测［J］．水力发电，1994，（1）：12-17．
［5］ 李渭新，王 韦，许唯临，等．挑流消能雾化范围的预估［J］．四川大学学报（工程科学版），1999，3（6）：17-22．
［6］ 刘士和，曲波．泄洪雾化溅水区长度深化研究［J］．武汉大学学报（工学版），2003，36（5）：5-8．
［7］ 梁在潮．雾化水流溅水区的分析和计算［J］．长江科学院院报，1996，13（1）：9-13．