不同上下游水位时射流--旋流梯级内消能工的水力特性研究

摘要

针对超高水头下导流洞改建为泄洪洞的泄洪消能问题，提出“射流-旋流梯级内消能工”的新型消能方式。该消能方式采用分级消能的思路，一级为射流消能，另一级为水平旋流，可将一个超高水头泄洪消能问题分解为两个中低水头问题，以解决高速水流和消能等问题。本文采用模型试验与数值模拟相结合的方法，对大幅度水位条件下射流-旋流梯级内消能工的基本水力特性，以及不同水位对水力特性及相关水力参数的影响，进行了分析研究，主要结论有： （1）流态与上下游水位关系密切，不同上下游水位变化时，射流段流态可分为自由出流与淹没出流，旋流段流态可分为自由旋转流、过渡流与淹没旋转流。 （2）梯级内消能工的流速、压强等水力特性沿程出现明显的分段变化特性，其中在各段的阻塞收缩段出现压强减小，流速增大的变化规律。 （3）竖井水位随上游水位呈分段线性增大；梯级内消能工典型断面的壁面压强与上下游水位差呈线性增加，空腔直径呈先增大后减小，射流段孔口流速呈幂函数变化。 （4）射流段水流空化数最小值为0.64~1.27，旋流段为0.57~0.94，均大于旋流洞发生空化的初生空化数，表明梯级内消能工在上游水位7D~13.8D，下游水位0.5D~1.5D不会发生空化。 （5）梯级内消能工总消能率在71%~81%之间，其中射流段25%~38%，旋流段43%~47%，两级消能分配较为合理。 （6）数值模拟结果表明，射流段紊动能及耗散率最大值出现在消能段，旋流段出现在起旋器及扩散段，表明在各级的扩散段是能量消刹的主要位置。

目录

符号说明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 洞内阻塞（孔板）消能

1.2.2 消力井消能

1.2.3 竖井旋流消能

1.2.4 水平旋流消能

1.2.5 射流消能

1.3 研究问题的提出

1.4 研究主要内容与意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究目的与意义

2 消能工体型设计与模型试验

2.1 体型设计

2.1.1 射流段体型设计

2.1.2 竖井段体型设计

2.1.3 旋流洞段体型设计

2.1.4 起旋器体型设计

2.1.5 通气孔及排气孔设计

2.1.6 射流-旋流梯级内消能工总体型

2.2 模型试验整体规划与设计

2.2.1 模型试验设计

2.2.2 模型试验规划布置

2.2.3 试验模型制作

2.2.4 测点布置

2.2.5 试验量测

2.2.6 试验工况

3 射流-旋流梯级内消能工流态与基本水力特性

3.1 流态

3.1.1 不同工况条件下流态沿程变化

3.1.2 流态分区

3.1.3 流态分区临界条件

3.2 空腔直径

3.2.1 不同上游水位时空腔直径

3.2.2 不同下游水位时空腔直径

3.3 泄流量

3.4 旋流角

3.4.1 不同上游水位时旋流角

3.4.2 不同下游水位时旋流角

3.5 流速

3.5.1 射流段流速

3.5.2 旋流段流速

3.6 压强

3.6.1 射流段壁面压强沿程分布规律

3.6.2 旋流段壁面压强沿程分布规律

3.7 水流空化数

3.8 本章小结

4 上下游水位对消能工水力特性和相关水力参数的影响

4.1 上下游水位对竖井水位变化规律

4.1.1 竖井水位与上游水位

4.1.2 竖井水位与下游水位的关系

4.2 上下游水位变化对空腔直径的影响

4.3 上下游水位变化对壁面压强的影响

4.3.1 射流孔口壁面压强与相对水位的变化规律

4.3.2 起旋器喉口断面壁面压强变化规律

4.3.3 旋流段壁面压强与相对上下游水位差

4.4 断面流速随上下游水位变化规律

4.4.1 射流段流速变化规律

4.4.2 旋流洞流速变化规律

4.5 消能率与上下游水位变化规律

4.5.1 射流段消能率

4.5.2 起旋器及旋流洞段消能率

4.5.3 梯级内消能工的总消能率

4.6 本章小结

5 射流-旋流梯级内消能工的数值模拟

5.1 数值模拟体型及网格划分的确定

5.2 数值模拟方法的选择

5.2.1 紊流数学模型方法选择

5.2.2 计算方法的选择

5.2.3 自由表面处理

5.3 边界条件的确定

5.3.1 进口条件的确定

5.3.2 出口条件的确定

5.4 计算模型验证

5.5 模拟结果分析

5.5.1 流态特征

5.5.2 压强

5.5.3 流速

5.5.4 紊动能及耗散率

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1 全文结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录