阻塞式水平旋流泄洪洞的水流水力特性研究.pdf

1、阻塞式水平旋流泄洪洞是在旋流洞段末端設(shè)置阻塞擴(kuò)散消能工后形成的一種新型的旋流式消能工，阻塞可顯著增大旋流洞內(nèi)壁面壓強(qiáng)，減小流速，有效改善水流空化空蝕條件，并可大幅提升旋流洞的消能率，使其在高水頭泄洪時具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，對阻塞式水平旋流泄洪洞的水流水力特性進(jìn)行了研究，包括不同出口淹沒型式、不同阻塞面積收縮比、不同阻塞擴(kuò)散型式下的旋流洞內(nèi)水流水力特性分布與變化規(guī)律，以及空腔旋流

2、的準(zhǔn)自由渦流動規(guī)律的假定和驗(yàn)證，不同面積收縮比阻塞對旋流洞泄流規(guī)律、增壓規(guī)律、減速規(guī)律以及能量分布變化規(guī)律的影響，阻塞漸擴(kuò)與突擴(kuò)時空腔旋流向氣水兩相流過渡的流場分析等內(nèi)容，研究成果具有重要的應(yīng)用價(jià)值和一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　自由出口與淹沒出口兩種基本型式的阻塞旋流洞水力特性研究表明：旋流洞段為具有自由空腔的旋轉(zhuǎn)水流，經(jīng)阻塞后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傥蓜拥娜跣D(zhuǎn)氣水兩相流，退水洞內(nèi)因出口淹沒的不同呈明流或有壓流。旋流洞內(nèi)水流為沿軸向、切向和徑向

3、的三維旋轉(zhuǎn)流動，軸向流速沿徑向近似呈對稱分布，最大值位于近壁面處；切向流速呈反對稱分布，最大值位于近空腔氣水界面處；徑向流速則很小。起旋器出口局部存在低壓區(qū)，旋流洞段壁面壓強(qiáng)沿程變化穩(wěn)定，壓強(qiáng)較大，斷面壓強(qiáng)近似呈同心圓分布。旋流洞內(nèi)通風(fēng)充足，淹沒出口時在退水洞內(nèi)沿程設(shè)置一排多個排氣孔可達(dá)到良好的排氣效果。旋流洞消能率較高，可達(dá)82％以上，其中起旋器、旋流洞段和阻塞擴(kuò)散段為主要消能段，而阻塞擴(kuò)散段占更大比例。
　　自由出口型式下的不

4、同阻塞時旋流洞水流水力特性研究表明：阻塞孔口面積減小，可使旋流空腔直徑減小，旋流角增大，水流旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；可使旋流洞壁面壓強(qiáng)顯著增大，改善起旋器出口負(fù)壓；可減小旋流洞內(nèi)軸向流速，且切向流速也略有減小；可減小泄流能力，是其不利之處。旋流洞內(nèi)的空腔旋流近似符合準(zhǔn)自由渦運(yùn)動規(guī)律。進(jìn)口淹沒時泄流量受起旋器喉口和阻塞孔口共同影響，且均呈有壓孔流泄流規(guī)律；起旋器喉口流量系數(shù)與喉口前水頭損失和喉口斷面壓強(qiáng)有關(guān)，后者為主要影響因素；阻塞孔口流量系數(shù)與阻塞前

5、水頭損失、以及阻塞導(dǎo)致的相對空腔半徑、旋流角和相對壁面壓強(qiáng)的旋流特性變化有關(guān)。隨阻塞增大的壓強(qiáng)一一頂托壓強(qiáng)沿程呈分段變化特征，但在豎井洞段和旋流洞段具有較好的保持性，推導(dǎo)了頂托壓強(qiáng)的表達(dá)式并予以試驗(yàn)驗(yàn)證；豎井段壁面壓強(qiáng)增大受起旋器喉口壓強(qiáng)影響，旋流洞段主要受切向流速沿徑向分布和水流流層厚度影響。阻塞對旋流洞切向流速影響不大，但對軸向流速減小十分明顯，從而使總流速降低。基于準(zhǔn)自由分布推導(dǎo)了空腔旋流的斷面各能量表達(dá)式，并進(jìn)行了計(jì)算分析，所得

6、的量值、變化規(guī)律、各能量分配比例等均符合能量的基本變化規(guī)律；阻塞可使壓能比例增大，軸向動能比例減小。阻塞大大降低了旋流洞內(nèi)的空蝕空化風(fēng)險(xiǎn)。
　　淹沒出口型式時不同阻塞擴(kuò)散型式的旋流洞水流水力特性研究表明:擴(kuò)散型式對旋流洞內(nèi)空腔旋流的影響較小，旋流流動近似符合準(zhǔn)自由運(yùn)動規(guī)律，且較接近自由渦。準(zhǔn)自由渦分布推導(dǎo)能量計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了能量推導(dǎo)式的正確性和適用性?？涨恍鞯膲耗芎颓邢騽幽苷贾饕糠?，軸向動能較小。采

7、用Mixture模型對阻塞擴(kuò)散段進(jìn)行分段模擬，可以得到較好的阻塞擴(kuò)散段氣水兩相流流場信息。阻塞擴(kuò)散段水流中央處存在大尺度漩渦，近壁有較薄水流層，且伴隨弱旋轉(zhuǎn)。阻塞擴(kuò)散段水流軸向流速增大，切向流速減小。旋流洞內(nèi)的水流脈動均為低頻脈動，遠(yuǎn)小于旋流洞的自振頻率；阻塞擴(kuò)散段后的氣水兩相流紊動劇烈，壓力脈動幅值較大，需加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。擴(kuò)散段及以后壁面存在一定區(qū)域的負(fù)壓區(qū)，但擴(kuò)散段末氣水混摻均勻，高摻氣可減免空化空蝕的發(fā)生。旋流洞內(nèi)通風(fēng)充足，排氣順暢