不同上下游水位时射流-旋流梯级内消能工的水力特性研究

发布时间：2020-07-23 18:14

【摘要】：针对超高水头下导流洞改建为泄洪洞的泄洪消能问题,提出“射流-旋流梯级内消能工”的新型消能方式。该消能方式采用分级消能的思路,一级为射流消能,另一级为水平旋流,可将一个超高水头泄洪消能问题分解为两个中低水头问题,以解决高速水流和消能等问题。本文采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对大幅度水位条件下射流-旋流梯级内消能工的基本水力特性,以及不同水位对水力特性及相关水力参数的影响,进行了分析研究,主要结论有:(1)流态与上下游水位关系密切,不同上下游水位变化时,射流段流态可分为自由出流与淹没出流,旋流段流态可分为自由旋转流、过渡流与淹没旋转流。(2)梯级内消能工的流速、压强等水力特性沿程出现明显的分段变化特性,其中在各段的阻塞收缩段出现压强减小,流速增大的变化规律。(3)竖井水位随上游水位呈分段线性增大;梯级内消能工典型断面的壁面压强与上下游水位差呈线性增加,空腔直径呈先增大后减小,射流段孔口流速呈幂函数变化。(4)射流段水流空化数最小值为0.64～1.27,旋流段为0.57～0.94,均大于旋流洞发生空化的初生空化数,表明梯级内消能工在上游水位7D～13.8D,下游水位0.5D～1.5D不会发生空化。(5)梯级内消能工总消能率在71%～81%之间,其中射流段25%～3 8%,旋流段43%～47%,两级消能分配较为合理。(6)数值模拟结果表明,射流段紊动能及耗散率最大值出现在消能段,旋流段出现在起旋器及扩散段,表明在各级的扩散段是能量消刹的主要位置。
【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
【图文】：

在特立水电站进行了水平旋流洞的成功应用[45-46]，为水平旋流洞的设计和经验。印度特立（Teri）水电站的两岸四条导流洞均改建成了水平旋流洞[4流，下游出口淹没，洞顶沿程设置多个排气孔，最大作用水头 203m，泄量 1内研究起始于 90 年代，西北院和中国水科院先后结合拉西瓦和公伯峡工究。其中，董兴林、杨开林等人对水平旋流泄洪洞的进口体型、旋流洞衔与通风量、壁面压力与空蚀等关键技术和问题进行了研究[48-49]，提出了优后来两家结构同西北水科所和西安理工大学通过大量的常压和减压模型试公伯峡水平旋流泄洪洞的最终方案。该电站于 2006 年建成，同年 8 月经行良好[54]。公伯峡水平旋流洞为国内首个改建而成的水平旋流泄洪洞（见水平旋流洞后接水垫塘的消能方式，最大下泄流量 1060m3/s，上下游水位能率达 85%以上[55-56]。基于公伯峡工程，牛争鸣[57-67]对水平旋流洞进行了就基本水力特性，下游水位、通气孔直径、起旋器喉口尺寸等对水力特性流消能的消能机理、空化空蚀等问题进行了深入探讨。为增大消能率，并下游水流的顺利过渡，在旋流洞末端设置了收缩墩加水垫塘的消能方式。施与技术，对水平旋流洞的应用有非常重要的参考价值。

1 绪论高时，起旋器出口会不可避免地出现大幅压力降[50][68]，若出现较小压强或负压时，易引发旋流洞内的空化空蚀。公伯峡减压模型试验发现，旋流洞中后段有空化云出原型观测时该位置也发生了局部表面混凝土剥落现象，经分析其由施工缺陷造成，但排除长时间运行或更高水头作用时存在空蚀破坏风险可能。牛争鸣[69-70]提出旋流阻塞消能方式（见图 1-2），可显著增大起旋器与旋流洞内的壁面压力，降低洞内流速，改善洞内空化空蚀问题，并增大消能率。牛争鸣结合雅砻江两河口和大渡河猴子岩工该消能方式进行了大量试验研究，分析了其基本水力特性的分布与变化规律[71-73]。曹[74]以自由涡假定为基础，分析了水平旋流消能的水力特性及能量及动量变化规律。龙[75-77]基于准自由涡假定其水力特性进行了较为深入研究，研究表明旋流阻塞复合内工的空腔旋流更符合准自由涡运动；并基于准自由涡理论，对该类旋流洞的泄量特量特性以及阻塞的增压特性进行了深入分析。

图 2-1 台阶型 图 2-2 顺直型Fig.2.1 Stepped plug Fig.2-2 Straight plug图 2-3 收缩型Fig.2-3 Shrinkage plug. 收缩段的设计缩段的设计的关键两个参数为断面收缩比 A2/A1和收缩段长度 L2，由文献[18/A1<0.5 时，消能率才能达到消能要求，但如果 A2/A1取值太小会影响泄洪洞泄次试验体型选取 A2/A1=0.435，其中 A1为射流进口断面面积，A1=πD12/4；故31.15m2，收缩孔口直径 D2为 6.3m；收缩段长度 L2决定着射流退水段内水流文参照《水工隧洞设计规范》，初步确定收缩段长度 L2为 7.8m。. 射流消能段的设计

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本文编号：2767667