大坡降水平旋流復合內(nèi)消能泄洪洞的水力特性研究.pdf

1、利用旋流阻塞效應,新型旋流阻塞復合內(nèi)消能泄洪洞可實現(xiàn)旋流阻塞和旋流擴散的復合消能,控制泄洪洞的壓強與速度,減免空化空蝕,大幅提高泄洪洞的作用水頭與消能率,是復合內(nèi)消能工的一種創(chuàng)新。本論文依據(jù)國家自然科學基金-雅礱聯(lián)合基金和教育部博士點基金的資助項目的研究內(nèi)容和要求,結合雅礱江兩河口水電站后期導流洞的改建方案,采用模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結合的研究方法,觀測了這種新型復合內(nèi)消能泄洪洞的基本水力特性,深入研究了這些水力特性的基本變化規(guī)

2、律與相互關系,具有重要的科學意義和實際應用價值。
　　觀測與深入研究的結果表明:復合內(nèi)消能泄洪洞內(nèi)典型、理想的流態(tài)是豎井與開敞式進口淹沒,旋流洞內(nèi)為穩(wěn)定的空腔旋流,旋流擴散段為氣水混摻的兩相流,擴散段后為有壓流或明流;起旋器喉口的泄流量計算公式可表達為有壓孔口泄流量計算公式的形式,流量系數(shù)與起旋器喉口的水流傅汝德數(shù)符合2 Fr?2?的關系,流量系數(shù)還與旋流阻塞形成的頂托壓強有關,并符合2222)1(???p gH??的關系;旋流阻

3、塞孔口的泄流性質(zhì)是“空腔旋流有壓孔口泄流”,泄流量計算也可表達為有壓孔口的形式,但影響流量系數(shù)的因素很復雜,與旋流洞段的水頭損失和旋流阻塞前后的壓強差有直接的關系;與無阻塞相比,旋流洞段的壓強整體增大,且壁面壓強沿旋流洞變化很小,具有增壓并保持的特性,這種特性是由于阻塞段空腔旋流直徑收縮,旋轉(zhuǎn)強度增大,離心力增大導致的壓強增大并等值向上遠遞傳遞形成的,因此與旋流阻塞孔口的面積收縮比直接有關;頂托壓強的影響因素有旋流洞段的能量損失、旋流洞

4、段的高程差、起旋器喉口的水流傅汝德數(shù)和阻塞前或阻塞后斷面的機械能,但主要取決于旋流洞段的能量損失與阻塞孔口斷面的機械能大小;受旋流阻塞的影響空腔直徑和旋流角沿程均表現(xiàn)為二次波峰與波谷的變化規(guī)律。
　　在流速分布觀測分析的基礎上,提出流速分布的基本假定,推導壓強分布的基本表達式,并用實測的水力特性資料和守恒定律的相關關系表達式對其進行了驗證和分析,表明是正確的。分析與驗證結果表明,在旋流洞段,沿徑向的大部分區(qū)域內(nèi),流速分布符合自由渦

5、分布假定;在該假定和流線曲率半徑為同心圓的假定下,壓強沿徑向的分布為r的二次負冪指數(shù)分布,切向流速的速度矩C沿程呈現(xiàn)出波動減小的變化規(guī)律。
　　推導了空腔旋流能量的表達式,研究不同旋流阻塞孔口面積收縮比時的能量的變化規(guī)律。結果表明,與無阻塞時能量分三段以不同速率衰減變化不同,有阻塞時受起旋器喉口和旋流阻塞收縮孔口的兩端邊界條件的影響,能量的沿程變化,總體上呈現(xiàn)出先降(或相反)然后保持的規(guī)律變化;不同旋流阻塞孔口面積比時,旋流洞內(nèi)動

6、能和壓能的比例明顯不同,面積比較大時,動能比例明顯減小。
　　分析研究了旋流泄洪洞各段能量損失的機理和特征,利用能量的斷面積分方程分段建立了空腔旋流水頭損失計算的表達式,并利用實測的空腔旋流的相關資料計算了消能率,計算結果表明:旋流洞起旋器段消能率占總消能率約40％,旋流阻塞與擴散段約占50%,旋流擴散段有較大的消能率;旋流阻塞面積收縮比對各段的消能率有明顯的影響,較大的面積收縮比時,旋流洞段的消能率減小,旋流擴散段的消能率增大。

7、
　　按照復合內(nèi)消能泄洪洞的設計原理,建立了在假定旋流洞的頂托壓強和泄量為已知時,旋流復合內(nèi)消能泄洪洞水頭損失的經(jīng)驗計算方法,并給出了經(jīng)驗系數(shù)的變化規(guī)律。
　　選取Realizable k-ε紊流模型,采用VOF方法對旋流復合內(nèi)消能泄洪洞的流態(tài)、壓強、空腔直徑、水流旋轉(zhuǎn)角進行了數(shù)值模擬,計算結果與模型試驗結果符合較好,表明Realizable k-ε紊流模型對旋流復合內(nèi)消能泄洪洞的水力特性數(shù)值模擬是適用的,數(shù)值模擬的準確度可