旋流阻塞泄洪洞空腔旋流特性的试验与数值模拟研究

发布时间：2020-05-10 10:24

【摘要】：在水平旋流泄洪洞内增设阻塞-渐扩设施,可对水平旋流洞段起到明显的增压减速效果,消除高水头下起旋器出口部位出现的负压,改善洞内水流空化条件,同时洞内消能率可得到显著提升。由于洞内空腔旋转水流的复杂性,本文结合国家自然科学基金“旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究”,采用模型试验,以及RNGk-ε双方程紊流模型和VOF两相流模型的数值模拟方法,对旋流阻塞泄洪洞的空腔旋流进行了研究。主要成果有:(1)对阻塞空腔旋流的数值模拟方法进行了分析探讨,选择了可适用于旋转气水两相流流动的模拟方法,数值模拟与试验成果吻合良好,验证了该方法的可行性。(2)空腔直径和旋流角沿程均呈在水平洞段逐渐减小、到阻塞段开始后逐渐增大的规律;空腔直径随上游水位的增加而减小。(3)起旋器靠近端头的底部区域压强略大,断面上呈底部略大的同心圆分布。水平洞段压强沿程小幅波动变化,断面压强呈底部略大的同心圆分布。阻塞段压强沿程减小,断面压强也具有近似同心圆分布规律。随上游水位升高,竖井洞段壁面压强增大,起旋器至阻塞段近似呈线性增大,阻塞扩散段压强在下游自由出流时随上游水位变化很小,在淹没出流时随上游水位升高而增大。(4)断面平均流速由起旋器口沿着水流方向逐渐减小,到阻塞段后急剧增大。切向流速在水平洞段z/D=0至z/D=2区间呈自由涡分布特征,z/D=2后呈自由涡和强迫涡的组合涡分布特征。旋流洞内轴向流速沿程减小,在水平洞段至阻塞段沿径向呈近壁面较大、气水界面较小的规律,在阻塞段沿径向呈较为均匀的流速分布规律。(5)高紊动区出现在起旋器端头和扩散段区域,横断面上靠进空腔界面处水层紊动较大,下游淹没出流条件扩散段紊动能大于自由出流条件。(6)起旋器与水平旋流段消能率可达40%以上,加上扩散段气水混掺消能及退水洞消能,总消能率可以达到90%左右。
【图文】：

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西安理工大学硕士学位论文进行消能。旋流泄洪洞一般由进口段、竖井段、设有通气孔的起旋室、水平旋流洞段的退水洞段组成，水流由进口进流后经竖井段过渡至起旋室内发生旋转，形成空腔旋流，水平旋流洞段和退水洞前段是主要的消能区，水平旋流洞依靠流层间相互剪切和水流的高紊动进行消能，进入退水洞段弱旋转水流水垫混掺碰撞进行能量耗散，从而达到水利枢纽工程泄洪消能的目的。印施工期的四条导流洞全部改建成了水平旋流泄洪洞[9]。水平旋流洞直接连口为淹没出流，退水洞顶沿程设置排气孔，最高作用水头为 203m，。国内首个由导流洞改建成水平旋流泄洪的公伯峡水电站水平旋流泄洪洞图 1-2 所示，利用水平旋流洞直接连接退水洞段水垫塘进行复合消能的方道水位的不同，出口分为自由出流和淹没出流流态。最大泄量为 1060m体消能率达到 85%以上，经原型观测，运行状态良好[10-11]。

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图 1-2 公伯峡水电站水平旋流泄洪洞（单位：m）Fig.1-2 Horizontal vortex spillway tunnel of Gongboxia（unit: m）旋流式内消能泄洪洞的优点包括：）竖井进口位置可以适应复杂的地质地形条件，，同时能满足有压进口和无方式；）起旋器、水平旋流洞和退水洞水垫区是消能的集中区域，高速水流能量旋器和旋流洞内的旋转水流流层间的剪切和紊动作用，辅以消力池内的，一般情况下，水平旋流泄洪洞消能率可达到 80%及以上，消能率较高；）竖井段的尺寸可以通过既定流量下进行控制设计，使洞内流速低于 20m平旋流洞内旋转水流的高速旋转会产生较大的离心力，促使水平洞段洞壁较大程度上的减小了泄洪洞内发生空化空蚀破坏的概率；）经过泄洪洞内消能后的水流出口流速低，可以有效地降低出口雾化影响破坏程度。工程原型观测及现有的理论分析，当高坝水头超过 100m 时的超高水头条能泄洪消能时，洞内流速会超过 40m/s，起旋器出口处局部存在负压现象
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV135.2

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