旋流泄洪洞水力特性的原型觀測、反演模型試驗與縮尺效應(yīng)研究.pdf

1、公伯峽水電站水平旋流泄洪洞由導(dǎo)流洞改建而成，是國內(nèi)第一個泄量超過1000m3/s，且水頭超過100m量級的已運行的水平旋流洞。本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金和高校博士學(xué)科點基金的研究，提出并采用涂層痕跡圖像分析法進行了公伯峽水電站旋流泄洪洞的旋流洞段水力特性的原型觀測；進行了不同比尺的常、減壓反演模型試驗，并與原型觀測的成果進行了對比，研究了旋流泄洪洞水力特性的縮尺效應(yīng)和原型與模型的相似比尺關(guān)系，豐富和發(fā)展了旋流泄洪消能工的相關(guān)理論和高速水

2、流原型觀測的方法和技術(shù)，因此具有重要的理論意義與實際應(yīng)用價值。
　　 通過可行性論證、室內(nèi)選擇涂層材料試驗、涂層痕跡的原型觀測、室內(nèi)涂層痕跡的反演試驗和涂層痕跡的圖像分析處理等研究和測試分析過程，成功進行了公伯峽水電站豎井水平旋流泄洪洞的旋流洞段水力特性的原型觀測，得到了旋流洞洞段的空蝕、壁面剪切力、壁面流速、旋流角等水力特性及沿程的變化規(guī)律。用涂層痕跡圖像法進行原型觀測的結(jié)果表明，在起旋器收縮環(huán)后的擴散斜面上存在水流的分離現(xiàn)象

3、和空化現(xiàn)象，但程度不足以導(dǎo)致旋流洞該部位混凝土壁面的空蝕破壞，而其它位置，在旋流洞本身無施工缺陷時，沒有空化空蝕發(fā)生的痕跡；旋流洞段的旋流角的變化范圍為75.45～33.56度；旋流洞段壁面流速的變化范圍為35～37m/s，最大值在導(dǎo)流洞0+240.00m斷面左右；壁面切應(yīng)力的最大值也在該斷面左右，變化范圍為2～3kN/m2。可見采用涂層痕跡法進行高速水流水力特性的原型觀測是可行的，也是非常經(jīng)濟的。
　　 通過不同比尺的減壓模型

4、試驗、原型觀測，采用空化噪聲量測與分析的方法，對公伯峽豎井水平旋流泄洪洞的空化特性進行了對比分析與研究。研究結(jié)果表明，可能發(fā)生空蝕的位置位于水平旋流洞中后段及水墊塘進口和末端。各部位不同比尺的減壓模型試驗結(jié)果和原型觀測結(jié)果存在一定的差異，其原因可能是縮尺效應(yīng)導(dǎo)致的旋流泄洪洞內(nèi)的水力特性和摻氣濃度等不相似所致。公伯峽水電站豎井水平旋流泄洪洞在起旋器出口設(shè)置折流坎，并在緊鄰其后的水平洞段上設(shè)置收縮環(huán)，對防止與減免起旋器出口低壓區(qū)的空化空蝕效

5、果非常顯著。
　　 在與原型觀測相同的水力條件下，進行了1:40和1:60常壓反演模型試驗，觀測了公伯峽水電站豎井水平旋流泄洪洞的各種水力特性，并與原型觀測成果進行了對比，分析與研究了這些水力特性的縮尺效應(yīng)。觀測與分析結(jié)果表明，開敞式進口堰閘段、豎井段和水平旋流洞內(nèi)的流態(tài)的變化過程可分為幾個明顯的階段，水力特性的變化規(guī)律在不同的階段是不同的；在幾何尺寸一定時，環(huán)形摻氣坎水流攜帶氣體的能力與相對空腔長度成正比，攜氣量系數(shù)εφ、通風(fēng)

6、量系數(shù)與攜氣量系數(shù)的比值εφ/μφ均隨閘門開度的增加呈指數(shù)規(guī)律減小，并趨向于常數(shù)；泄流量、流態(tài)、流速、壓力、旋流夾角和消能率等水力特性，基本符合重力相似準則，但由于原、模型氣體的可壓縮性、通氣管(井)系統(tǒng)摩阻和氣體逸出的不相似等原因，受其影響的豎井水位、通氣量、環(huán)形摻氣坎內(nèi)的空腔長度、空腔內(nèi)的負壓、壁面摻氣率、旋流洞的空腔直徑和旋流空腔內(nèi)壓強等水力特性不符合重力相似準則，縮尺效應(yīng)較明顯。
　　 通過理論分析、原型觀測和不同比尺的

7、反演模型試驗結(jié)果的對比，進行了水平旋流泄洪洞水力特性相似關(guān)系的初步研究。研究結(jié)果表明，豎井水平旋流洞的流態(tài)、水力特性相似的條件應(yīng)該滿足起旋室出口斷面的水流弗勞德數(shù)、通氣井出口斷面的通氣量弗勞德數(shù)、旋流洞出口的相對下游水位和起旋室出口斷面的相對含氣率在原型與模型間的對應(yīng)相等；應(yīng)滿足原型與模型旋流洞相對通氣量、相對攜氣量的相似和通氣量與攜氣量比值的相似，還需要保證旋流洞內(nèi)定解性質(zhì)的邊界條件，即與空腔半徑rD、空腔內(nèi)的氣體壓強P0和壁面壓強P

8、w有關(guān)的離心力效應(yīng)的相似。在幾何相似的前提下，由這些相似條件就可得到相應(yīng)的比尺關(guān)系。這些比尺關(guān)系表明氣體的可壓縮性、通氣與泄流系統(tǒng)的摩阻、旋流空腔負壓、相對通氣量與攜氣量、離心力效應(yīng)均是原型與模型豎井水平旋流泄洪洞水力特性相似比尺關(guān)系中的影響因素。
　　 本論文填補了國內(nèi)外豎井水平旋流泄洪洞旋流洞段的水力特性的原型觀測的空白；首次提出并成功應(yīng)用了涂層痕跡圖像分析方法和技術(shù)對旋流泄洪洞的水力特性進行了原型觀測；首次對原型觀測與不同