弧形闸门局部开启时闸前漩涡水力特性研究

摘要

前人关于水利工程中漩涡问题的研究主要集中在淹没水深较大且结构不变的电站和泄洪洞等进水口，对于闸门局部开启时闸前漩涡问题研究较少，而闸前漩涡同样会带来很大危害，例如诱发闸门等结构物震动，减小泄流量，引起泄流面空化空蚀等破坏。为了避免或控制闸前漩涡带来的危害，本文采用模型试验和理论分析相结合的方法，对漩涡流场和闸前漩涡的水力特性进行了较系统的研究。主要研究内容和结论如下:
　　(1)本文利用圆桶试验研究了立轴漩涡流场的水力特性，采用粒子图像测速技术(PIV)对立轴漩涡流场进行了详细的测量，得到了漩涡切向流速、径向流速、涡核半径、环量和水面线等分布数据，揭示了漩涡流场各水力参数的变化规律;并通过理论分析和试验数据拟合相结合的方法建立了描述漩涡流场的数学模型，经与前人建立的模型及试验数据对比表明，本文所建立的数学模型精度更高，且形式简单，易于应用。
　　(2)本文以某水闸工程为研究对象，通过不同比尺的模型试验对比，对弧形闸门局部开启时闸前漩涡的形成机理、影响因素、临界淹没水深等水力特性进行了研究。研究表明，闸前漩涡的形成是进水口弗劳德数和来流环量共同作用的结果;其影响因素有闸前水深、闸门开度、进水口弗劳德数和来流环量;闸前漩涡存在上、下两个临界淹没水深，吸气漩涡发生在临界淹没水深上下限之间;在临界淹没水深下限附近，来流环量作用较弱，在临界淹没水深上限附近，来流环量作用明显;闸门开度越大，吸气漩涡越强;进水口弗劳德数越大，漩涡越强。
　　(3)通过理论推导和闸前漩涡对比试验数据分析，研究了粘性力和表面张力对闸前漩涡的作用机理和影响。结果显示，按照重力相似准则设计的模型试验，当行进水流的雷诺数Re≥5.1×104、韦伯数We≥142时，可以忽略粘滞力和表面张力对闸前漩涡的影响。另外通过对本文建立的漩涡数学模型进一步推导，得到了闸前吸气漩涡的上、下限临界淹没水深公式，经与本文及前人的试验数据对比证明，其不仅适用于计算弧形闸门前吸气漩涡的临界淹没水深，同时适用于结构不变的侧部或立轴进水口等情况。
　　(4)为消除闸前危害性较大的吸气漩涡，本文在分析漩涡特性和总结已有消涡措施的基础上，针对闸前漩涡的消除提出了竖向消涡隔栅法。试验研究表明:采用竖向消涡隔栅法消除闸前吸气漩涡时，两对消涡隔栅方案消涡效果好，可满足消涡要求。
　　综上所述，本文对闸前漩涡问题进行了较系统的研究，所得成果可以为更深入地研究闸前漩涡水力特性提供数据基础和理论依据，也为工程设计和运行管理提供参考。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 进水口漩涡的危害

1．1．3 研究的意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 立轴漩涡流场水力特性研究

1．2．2 进水口漩涡影响因素的研究

1．2．3 漩涡缩尺效应的研究

1．2．4 漩涡临界淹没水深的研究

1．2．5 消涡措施的研究

1．3 本文的研究方法及内容

1．4 本章小结

2 立轴漩涡试验研究

2．1 漩涡流场水力特性试验研究

2．1．1 试验装置及模型

2．1．2 测量方法及试验方案

2．1．3 试验结果及分析

2．2 闸门局开闸前漩涡水力特性试验研究

2．2．1 试验装置及模型

2．2．2 测量方法及试验方案

2．2．3 闸门局开闸前漩涡特性分析

2．2．4 不同比尺模型试验实测数据对比

2．2．5 临界淹没水深试验结果

2．3 本章小结

3 立轴漩涡流场特性理论研究

3．1 立轴漩涡流场的基本方程

3．2 立轴漩涡流场数学模型的建立

3．2．1 切向流速分布

3．2．2 径向流速分布

3．2．3 轴向流速分布

3．2．4 水面线分布

3．2．5 涡核半径分布

3．3 本章小结

4 粘性力和表面张力对闸前漩涡影响研究

4．1 粘性力和表面张力影响的理论分析

4．1．1 表面张力的影响

4．1．2 粘性力的影响

4．2 粘性力和表面张力影响的试验研究

4．2．1 闸门局开闸前行进水流特性试验结果分析

4．2．2 临界雷诺数和韦伯数

4．3 本章小结

5 闸门局开闸前漩涡临界淹没水深研究

5．1 临界淹没水深作用机理分析

5．1．1 闸门局开闸前水深对漩涡的影响

5．1．2 闸门局开闸前漩涡临界淹没水深影响因素

5．2 临界淹没水深公式理论推导

5．3 理论公式与试验数据对比

5．3．1 与本文试验数据对比

5．3．2 与前人研究结果对比

5．4 本章小结

6 闸门局开闸前漩涡消涡措施研究

6．1 闸门局开闸前漩涡消涡措施的选择

6．2 消涡隔栅的试验研究

6．2．1 一对竖向消涡隔栅方案

6．2．2 两对竖向消涡隔棚方案

6．2．3 三对竖向消涡隔栅方案

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介