旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究

摘要

针对高水头大泄量坝工建设中存在的问题，具有结构简单、布置灵活、导流洞再利用和消能率高等优点的旋流式内消能工成为了水利科学界的主要研究方向。
　　本文结合2015年国家自然科学基金—旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究，设计出适用于高水头（150m～200m）、大泄量（1500m3/s～2000m3/s）条件下的水平旋流复合式内消能工，并对其基本流态、泄流规律、通气孔通风量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行详细的试验研究分析，研究结果表明：
　　1、在不同上游水位下，可将竖井段流态划分为明流流态、过渡流态和淹没出流流态，将水平旋流洞流态划分为明流流态、过渡流态和稳定流态；在不同下游水位下，可将稳定流态划分为远驱式水跃、临界水跃和淹没式水跃。
　　2、在下游水位小于1.5D时，下游水位对泄流量基本上没有影响，阻塞孔口流量系数μ3基本稳定在0.233；当下游水位大于等于1.5D时，随着下游水位升高，μ3逐渐变小。考虑上下游水位差ΔH的阻塞孔口流量系数μ随着下游水位的升高而逐渐增大。
　　3、不同孔径通气孔对水平洞段流态影响较小，0.1D孔径通气孔下，改变下游水位运行方式为从高到低时，在导流洞70m～110m范围形成稳定的并由水气两相流组成的“屏障”，这种“屏障”能大幅度消耗下泄水流能量，并改变导流洞中部水流的急缓流流态。
　　4、根据不同孔径通气孔通风量和风速的变化规律，总结出这种体型在高水位大泄量条件下通气孔孔径设计的经验公式为D0=（0.2～0.3）D。
　　5、对于以1/4椭圆连接竖井洞和水平旋流洞，并去掉洞顶设置小于旋流洞半径并用于收缩水流半径的“挑坎”的体型，能有效地消除起旋器出口顶部低压区。
　　6、本文还研究出这种体型下旋流空腔沿程稳定、旋流角沿程逐渐减小及流速径向和沿程变化规律，为继续研究水平旋流复合式内消能工的水力特性奠定了坚实的基础。

目录

声明

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外旋流内消能工的研究进展

1.3 本文主要研究的目的、意义及主要内容

2. 体型初步设计与模型量测

2.1 体型初步设计

2.2 试验系统总体布置、制作及其体型

3.1 基本流态

3.2 泄流规律

3.3 本章小结

4 通风孔通风量和风速的变化规律

4.1 通气孔通风量的变化规律

4.2 通气孔风速的变化规律

4.3 通气孔的设计

4.4 本章小结

5 水平旋流内消能泄洪洞的水力特性

5.1 水平旋流内消能泄洪洞的壁面压强特性

5.2 水平旋流内消能泄洪洞的空腔直径特性

5.3 水平旋流内消能泄洪洞的旋流角特性

5.4 水平旋流内消能泄洪洞的流速特性

5.5 本章小结

6.1 本文的主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录