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文檔簡介
1、阻塞式水平旋流泄洪洞是在旋流洞段末端設置阻塞擴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,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用前景。
本文采用模型試驗、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、的準自由渦流動規(guī)律的假定和驗證,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,阻塞漸擴與突擴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用價值和一定的學術(shù)價值。
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),旋流洞段壁面壓強沿程變化穩(wěn)定,壓強較大,斷面壓強近似呈同心圓分布。旋流洞內(nèi)通風充足,淹沒出口時在退水洞內(nèi)沿程設置一排多個排氣孔可達到良好的排氣效果。旋流洞消能率較高,可達82%以上,其中起旋器、旋流洞段和阻塞擴散段為主要消能段,而阻塞擴散段占更大比例。
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顯著增大,改善起旋器出口負壓;可減小旋流洞內(nèi)軸向流速,且切向流速也略有減??;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自由渦運動規(guī)律。進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有關,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、以及阻塞導致的相對空腔半徑、旋流角和相對壁面壓強的旋流特性變化有關。隨阻塞增大的壓強一一頂托壓強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,推導了頂托壓強的表達式并予以試驗驗證;豎井段壁面壓強增大受起旋器喉口壓強影響,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。基于準自由分布推導了空腔旋流的斷面各能量表達式,并進行了計算分析,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)的空蝕空化風險。
淹沒出口型式時不同阻塞擴散型式的旋流洞水流水力特性研究表明:擴散型式對旋流洞內(nèi)空腔旋流的影響較小,旋流流動近似符合準自由運動規(guī)律,且較接近自由渦。準自由渦分布推導能量計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相符較好,進一步驗證了能量推導式的正確性和適用性。空腔旋流的壓能和切向動能占主要部分,軸向動能較小。采
7、用Mixture模型對阻塞擴散段進行分段模擬,可以得到較好的阻塞擴散段氣水兩相流流場信息。阻塞擴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,遠小于旋流洞的自振頻率;阻塞擴散段后的氣水兩相流紊動劇烈,壓力脈動幅值較大,需加強結(jié)構(gòu)設計。擴散段及以后壁面存在一定區(qū)域的負壓區(qū),但擴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)通風充足,排氣順暢
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