壓力輸水管道出口多孔射流消能特性研究與工程應(yīng)用.pdf

1、多噴孔淹沒式套筒閥是一種用于壓力管道出口的新型消能型式,它是利用多股多層噴孔使水流高速噴出后在閥室內(nèi)卷吸、摻混,形成強(qiáng)烈紊動水流來消減輸水管道出口的剩余能量,噴孔的大小、數(shù)量、以及布置方式?jīng)Q定了該消能工的消能效率。目前,對于管道出口多孔射流的研究,多集中于動力工程中的混合問題和環(huán)境工程中物質(zhì)的擴(kuò)散問題,而對于利用多孔射流的紊動特性來消除水利水電工程中輸水管道出口剩余能量的研究目前尚不多見。針對工程應(yīng)用迫切需要對其水力參數(shù)、消能特性等進(jìn)行

2、研究,為套筒閥閥室設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù),這將對工程應(yīng)用具有十分重要的意義。 本文在回顧前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合山西省萬家寨引黃工程,對壓力管道出口多噴孔射流消能的復(fù)雜流動進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,主要研究內(nèi)容和成果有： (1)從試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的角度出發(fā),首次對壓力管道出口多噴孔射流消能這種復(fù)雜體型流動進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,取得了一些可供設(shè)計(jì)和進(jìn)一步科研工作參考的研究成果。采用RNG k-ε紊流模型實(shí)現(xiàn)了對這一新型消能型式的三

3、維數(shù)值模擬,并結(jié)合文獻(xiàn)中的試驗(yàn)資料對數(shù)值模擬計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果顯示計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好,表明了所采用的數(shù)學(xué)模型的可靠性,以及模擬計(jì)算的合理性。 (2)提出了斷面余能比概念,并以此通過分析比較不同噴孔個數(shù)以及噴孔布置方式下的消能效果。計(jì)算結(jié)果表明：射流動量的分散程度是決定消能效果的關(guān)鍵,噴孔的大小、數(shù)量、以及布置方式?jīng)Q定了該消能工的消能效率。噴孔交錯梅花狀布置的消能效果明顯優(yōu)于平行排列的布置方式,給出了斷面余能比與噴孔個數(shù)的變

4、化曲線。隨著噴孔數(shù)的增加,消能效果顯著提高,但是噴孔數(shù)增加到一定數(shù)目時,變化顯著減緩,因而并不需要噴孔的無限加密,就可以實(shí)現(xiàn)能量的最大衰減。 (3)分析討論了多噴孔射流進(jìn)入閥室后的水流結(jié)構(gòu)與消能機(jī)理,研究結(jié)果表明：多噴孔射流進(jìn)入消能水體后,射流水股與周圍水體接觸面積極大增加,在距離噴孔出口0.41m左右的范圍內(nèi)射流能量迅速衰減,加之各水股間的相互卷吸、摻混,形成了多個強(qiáng)剪切消能區(qū),消能率較高。同時,由于各漩滾的相互作用,可有效減

5、小其對閥室固壁的沖刷。 (4)在試驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,將壓力管道出口多噴孔消能在萬家寨引黃工程中進(jìn)行了成功的應(yīng)用,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益,為壓力管道多噴孔消能在水利水電工程中的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對調(diào)節(jié)閥室的形狀、大小對室內(nèi)流動特性的影響進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,選擇出了消能效果最優(yōu)的閥室體型。并對優(yōu)化后的體型、堰后消力池和進(jìn)水前池進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)制作了多孔射流的水力學(xué)模型,測試了各種工況下的水流流態(tài),獲得了

6、流速分布、水面線、消能率等水力參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：這種調(diào)節(jié)閥室具有占地面積小、消能效率高等優(yōu)點(diǎn),可以確保水流平穩(wěn)地進(jìn)入下游,有效的解決了壓力管道出口消能這一技術(shù)難題。 (5)結(jié)合萬家寨引黃聯(lián)接段輸水工程,對壓力管道出口在無控制泄放情況下的消能問題進(jìn)行了模型試驗(yàn)并修改和完善了設(shè)計(jì)方案,試驗(yàn)確定了消能豎管周邊的開孔大小、布置方式及開孔總面積,解決了壓力管道輸水中落差大、流量變幅大情況下的消能問題,保證了有壓管道流輸水的運(yùn)行條件和水流