洞塞式內(nèi)流消能工的水力特性研究.pdf

1、洞塞式消能工是利用水流的突縮突擴(kuò)作用進(jìn)行消能的消能工，本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用試驗、數(shù)值模擬和理論分析手段研究了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能機(jī)理、空化特性以及多級洞塞泄洪洞的設(shè)計流程，并探索把洞塞式消能工應(yīng)用到大型水電工程的可能性，得出的結(jié)論包括： 1、通過實驗及數(shù)值模擬研究，得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的洞塞內(nèi)及洞塞后的壓強恢復(fù)長度，得出了洞塞出口面積收縮比與壓強恢復(fù)長度的關(guān)系。

2、 2、得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的水頭損失系數(shù)的表達(dá)式。研究表明，雷諾數(shù)對水頭損失系數(shù)幾乎無影響。 3、研究表明，臺階洞塞最佳的輔、主洞塞直徑之比應(yīng)為1.1，輔助洞塞的長度應(yīng)為洞塞前管道直徑的0.4倍。 4、論文認(rèn)為，理想的收縮式洞塞體型應(yīng)使洞塞進(jìn)、出口處的壓強相等，數(shù)值計算解雇得出了收縮洞塞最佳的進(jìn)、出口直徑比與洞塞出口面積收縮比的關(guān)系以及收縮洞塞長度與水頭損失的關(guān)系。 5、應(yīng)用激光流速儀對三種體型洞塞

3、的時均流速和脈動流速進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：在洞塞內(nèi)部，時均流速在洞塞進(jìn)口0.133倍管道直徑后分布均勻，洞塞出口后的主流再附著點位于洞塞出口后的1～2倍管道直徑處，洞塞出口3倍管道直徑后的斷面流速分布均勻；總體而言，在回流區(qū)以外，徑向流速均較小，約為軸向流速的10％。三種體型洞塞的脈動流速的大小為時均流速的10～30％，在洞塞段及洞塞后擴(kuò)散段較大，最大值位于時均流速梯度較大的剪切層附近，對同一斷面而言，軸線上的脈動流速小于兩側(cè)的脈動流速

4、。 6、應(yīng)用動量積分方程建立了洞塞的水頭損失系數(shù)與洞塞面積收縮比的理論公式，該公式與試驗值吻合良好。 7、研究表明，洞塞突縮消能的原因有三：一是由于洞塞進(jìn)口前形成較大的流速梯度，流層之間的強剪切作用構(gòu)成能量耗散，二是洞塞進(jìn)口角隅存在一逆時針漩渦，三是洞塞進(jìn)口處的高流速帶以類似于射流的形式?jīng)_擊環(huán)境流體，與環(huán)境流體摩擦、混摻，產(chǎn)生能量耗散；洞塞突擴(kuò)消能的原因是由于突擴(kuò)水流形成強紊動、強剪切射流以及產(chǎn)生大尺度漩渦，從而在射流內(nèi)

5、部、射流邊界層及漩渦區(qū)產(chǎn)生紊動混摻作用。 8、對洞塞脈動壓強特性的分析表明：順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的脈動壓強最大點均位于洞塞進(jìn)口附近，在洞塞內(nèi)逐漸變小，水流突擴(kuò)后，脈動壓強有所增加，后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定；面積收縮比越小，脈動壓強越大；對同一面積收縮比，順直洞塞的脈動壓強最大，臺階洞塞次之，收縮洞塞最??；壁面脈動壓強雖然不完全按正態(tài)分布，但其偏離程度不大；洞塞進(jìn)口附近脈動壓強的主頻不明顯，但5Hz以下的低頻明顯占優(yōu)勢。 9

6、、采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了不同體型洞塞的空化特性，得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的初生空化數(shù)的表達(dá)式。 10、本文提出了不同類型洞塞的適用條件，給出的多級洞塞泄洪洞設(shè)計流程可作為洞塞體型設(shè)計的的參考。 11、本文針對某大型水電站5號非常泄洪洞改建工程，在1：50單體模型上先后進(jìn)行了常壓和減壓試驗，結(jié)果表明，應(yīng)用多級收縮洞塞能有效地達(dá)到消能目的，洞內(nèi)也不會發(fā)生空化，較好地解決了高水頭、大流量導(dǎo)流洞改建過程中