低弗氏数下旋浆式消力墩消能研究

摘要

小水电开发是我国水力水电开发的重要方向,可靠的泄水建筑及其消能防冲设施是水电工程的重要安全保证。但小水电其水头低、佛氏数小,消能效率低,下泄水流大量余能可能严重冲刷下游河床河岸,继而危及工程安全。因此,开展低弗氏数的消能特性研究,研发经济方便的新型消能工,对目前大力提倡的小水电开发具有重要的意义。
　　 本文基于水流通过水轮机后,尾水余能仅有极少部分,加之旋桨的转动可增强掺混强度、调整流速分布等思路,提出一种新型的辅助消能工——旋桨式消力墩。并通过自己设计建立的消能试验模型,进行了多级流量、多种辅助消能工的对比试验,再通过理论分析,获得了以下主要结论:
　　 (1)在非对称来流条件下,通过消力池及出池水流的流态、单股水流最大动能、流速分布、底流速系数、流速均方差、流速重心、能量损失系数等对比分析,表明消力池内加设旋浆式消力墩后,水流调匀效果十分明显,消能效果显著提高。出池最大流速可最大减小30％,临底流速可减小40～60%,表征流速分布均匀性的流速均方差减小约50%,平均能量损失系数从无辅助消能工的0.277提高到0.395～0.426,单股水流最大动能急剧减小,最高减幅达76.91%,平均减幅52.32%。
　　 (2)依据试验成果,从调匀流速分布,减小临底流速,增大能量损失系数等综合分析,作为辅助消能工的另一种形式——消力坎有一个高度使其综合效果最佳,即略高于尾坎,本文为3.5cm,高于尾坎0.5cm。
　　 (3)通过多种辅助消能工对比试验,综合分析消能工流速调匀和消能效果,其优劣次序为消力坎、旋桨组合消力墩、常规消力墩、旋桨式消力墩。出池最大流速相对比值为0.83:0.84:0.87:1.00,底流横向分布均方差相对比值为0.12:0.44:0.42:1.00,能量损失系数相对比值1.03:1.01:0.98:1.00。因此,单设本文采用的旋桨式消力墩,其流速调匀效果与其他相比还有较大差距,消能效果也不占优势。
　　 (4)在常规消力墩前加设旋桨后,在垂向调流效果方面优于其他辅助消能工,并能在一定程度上能减弱单股动能,调匀流速横向分布,但效果不甚明显,能量损失系数增加甚微。由此看来,要想达到水轮机那样的耗能效果,还需要开展旋桨冲击方式、阻尼形式以及水轮机能量转换机理等方面的研究。