射流—旋流梯级内消能工的水力特性及泄流与能量特性研究

发布时间：2020-11-01 01:52

　　 射流-旋流梯级内消能方式是一种超高水头下的新型消能方式,具有广泛的应用前景。它的提出可以将一个高水头问题转变为两个或多个中低水头问题,以解决单一内消能工在高水头泄洪消能中存在的各类高速水流问题,同时让高坝导流洞改建泄洪洞成为可能,以节约工程投资。该消能方式由两级消能组成,分别为第一级的淹没射流消能和第二级的旋流消能。本文依托国家自然科学基金“射流-旋流梯级内消能工消能机理与适宜水力条件”,采用模型试验、数值模拟和理论分析的方法,对射流-旋流梯级工的水力特性、泄流规律、各部位能量变化及消能率进行研究,并对空化可能性做出评价,主要研究成果如下:(1)梯级消能工的流态分区:射流段非淹没射流,旋流段不稳定空腔旋转流;射流段非淹没射流,旋流段初步形成较稳定的空腔旋转流;射流段为淹没射流,旋流段形成稳定的空腔旋转流。梯级消能工在上游水位H≥8.8D且竖井水位淹没射流消能段洞顶时可满足双稳运行条件。(2)射流收缩段压强突然减小,在射流尾水洞段基本保持不变;旋流洞段壁面压强在旋流阻塞段明显下降,上游水位的变化对旋流段壁面压强值影响较大。(3)流速在射流收缩段、旋流阻塞孔口段局部增大。旋流段沿程断面的切向流速值从空腔边沿开始,沿径向方向先升高后降低。(4)射流收缩段孔口流量系数与流速水头系数以及收缩孔口压强相关,起旋器喉口流量系数与沿程水头损失、起旋器喉口压强等有关,阻塞孔口流量系数与沿程水头损失、旋流角、空腔半径、压强特性等相关。(5)梯级消能工消能主要包括射流收缩段、旋流消能段和阻塞扩散段,总消能率较高,在81%左右。(6)射流退水洞前段在上游水位8.8D时有较大负压;旋流退水洞段前段在下游淹没时也存在较大负压。但扩散段水流掺气充分而均匀,空化可能性降低,可采取其他防空化措施。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TV135.2
【部分图文】：

第二章梯级消能工模型试验与数值模拟方法9数值模拟工况选择设计工况7，设置对应的边界条件。第一段射流段进口条件是按上游水位13.8D的压力进口，进口处近似静水压强分布。第二段旋流段的进口条件设置为流速进口，根据实测设置流速值为9.24m/s。b出口条件的确定数值模拟工况选择设计工况7，第一段出口条件设置为压力出口条件；第二段旋流洞段的出口条件设置为压力出口条件，可根据实测的下游水池水深值设置参数，出口压强近似静水压强分布。壁面条件选择无滑移壁面条件。各边界条件的设置如图2-2所示。（a）第一部分射流段（b）第二部分旋流段图2-2梯级消能工各段网格及边界条件示意图Fig.2-2Sectionalgriddiagramofstepenergydissipator2.2.3阻塞扩散段水气两相流的数值模拟模拟工况：选择上游为设计水位、下游略淹没状态的典型工况9（上游水位13.8D，下游水位1.7D）来进行数值模拟研究；进口断面：旋流洞段空腔旋流经过一段距离的发展，在旋流段后端水流逐渐稳定，在此处选择进口断面；出口断面：水流经过阻塞孔口，在退水洞前半段水气充分混掺，消耗大量能量，进而流速降低，气体逐渐在下游排气孔排出，在附近选择出口断面。数学模型：对阻塞扩散段进行数值模拟研究，选择采用Realizablek-ε双方程紊流模型和Mixture两相流模型。选择混合两相流模型的原因：计算域水气混掺，气相分布范围广、相间曳力规则不确定[45-47]，对精度要求不高；同时相关研究人员利用混合模型对旋流扩散段水气两相流进行数值模拟，证明了混合模型的适用性。计算域：选择阻塞段前桩号0+187.8m至退水洞前段桩号0+245.4m之间的水流区间作为计算域。网格划分：采用结构化网格，同时采用O型剖分。边界条件：根据模型试验数据，设置进口速度条件和压力出口条件，壁面条?

水气两相流段计算域Fig.2-3Thecalculationgrangeoftwo-phaseflow

第三章射流-旋流梯级内消能工的基本水力特性成果113射流-旋流梯级内消能工的基本水力特性试验成果本文进行了10组不同上、下游水位组合工况下（见2.1.2节表2-2）的模型试验，对泄流量、压强分布、空腔直径、旋流角、切向流速分布等水力特性进行了量测，并分析了各水力特性随不同上下游水位变化时的分布与变化规律。3.1流态3.1.1各实验工况洞内水流流态a.上游水位7D、下游自由出流时流态上游水位7D，下游为自由出流时，射流洞段进口为满流，通过射流收缩孔口后发展为射流，在射流消能段内跌落流向竖井，位置流态如3-1（a）所示；竖井中有水流跌落，水流中掺杂气泡，同时由于泄流量较小，竖井水流沿井壁流出，位置流态如3-1（b）所示；竖井下部设置有起旋装置，水流沿着井壁流向起旋器，在起旋器作用下水流在旋流段内形成旋转流，由于上游水位较低，水平旋流洞内为弱旋转水流，流态不稳定，旋流段前端水汽混掺均匀，旋流洞内流态见图3-1（c）。水流经过旋流阻塞孔口后扩散，在距阻塞孔口6.3m处跌落，形成自由出流流向下游水池。流态见图3-1（d）。（a）射流段进水口（b）竖井水流（c）水平旋流洞段水流（d）旋流阻塞扩散段图3-1上游7D，下游0.5D不同位置流态Fig.3-1Differentlocationsinupstream7D,downstream0.5D
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本文编号：2864848