大坡降水平旋流復(fù)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(yīng),新型旋流阻塞復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞可實(shí)現(xiàn)旋流阻塞和旋流擴(kuò)散的復(fù)合消能,控制泄洪洞的壓強(qiáng)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(fù)合內(nèi)消能工的一種創(chuàng)新。本論文依據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金-雅礱聯(lián)合基金和教育部博士點(diǎn)基金的資助項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容和要求,結(jié)合雅礱江兩河口水電站后期導(dǎo)流洞的改建方案,采用模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,觀測(cè)了這種新型復(fù)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(guān)系,具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　觀測(cè)與深入研究的結(jié)果表明:復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞內(nèi)典型、理想的流態(tài)是豎井與開(kāi)敞式進(jìn)口淹沒(méi),旋流洞內(nèi)為穩(wěn)定的空腔旋流,旋流擴(kuò)散段為氣水混摻的兩相流,擴(kuò)散段后為有壓流或明流;起旋器喉口的泄流量計(jì)算公式可表達(dá)為有壓孔口泄流量計(jì)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(guān)系,流量系數(shù)還與旋流阻塞形成的頂托壓強(qiáng)有關(guān),并符合2222)1(???p gH??的關(guān)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(jì)算也可表達(dá)為有壓孔口的形式,但影響流量系數(shù)的因素很復(fù)雜,與旋流洞段的水頭損失和旋流阻塞前后的壓強(qiáng)差有直接的關(guān)系;與無(wú)阻塞相比,旋流洞段的壓強(qiáng)整體增大,且壁面壓強(qiáng)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(qiáng)度增大,離心力增大導(dǎo)致的壓強(qiáng)增大并等值向上遠(yuǎn)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(guān);頂托壓強(qiáng)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(jī)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(jī)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(cè)分析的基礎(chǔ)上,提出流速分布的基本假定,推導(dǎo)壓強(qiáng)分布的基本表達(dá)式,并用實(shí)測(cè)的水力特性資料和守恒定律的相關(guān)關(guān)系表達(dá)式對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證和分析,表明是正確的。分析與驗(yàn)證結(jié)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(qiáng)沿徑向的分布為r的二次負(fù)冪指數(shù)分布,切向流速的速度矩C沿程呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的變化規(guī)律。
　　推導(dǎo)了空腔旋流能量的表達(dá)式,研究不同旋流阻塞孔口面積收縮比時(shí)的能量的變化規(guī)律。結(jié)果表明,與無(wú)阻塞時(shí)能量分三段以不同速率衰減變化不同,有阻塞時(shí)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(shí),旋流洞內(nèi)動(dòng)

6、能和壓能的比例明顯不同,面積比較大時(shí),動(dòng)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(jī)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(jì)算的表達(dá)式,并利用實(shí)測(cè)的空腔旋流的相關(guān)資料計(jì)算了消能率,計(jì)算結(jié)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(kuò)散段約占50%,旋流擴(kuò)散段有較大的消能率;旋流阻塞面積收縮比對(duì)各段的消能率有明顯的影響,較大的面積收縮比時(shí),旋流洞段的消能率減小,旋流擴(kuò)散段的消能率增大。

7、
　　按照復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞的設(shè)計(jì)原理,建立了在假定旋流洞的頂托壓強(qiáng)和泄量為已知時(shí),旋流復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞水頭損失的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法,并給出了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的變化規(guī)律。
　　選取Realizable k-ε紊流模型,采用VOF方法對(duì)旋流復(fù)合內(nèi)消能泄洪洞的流態(tài)、壓強(qiáng)、空腔直徑、水流旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行了數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果符合較好,表明Realizable k-ε紊流模型對(duì)旋流復(fù)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(zhǔn)確度可