大坡降复合式旋流阻塞内消能泄洪洞的水力特性研究

摘要

高坝建设中，后期导流洞往往具有洞身坡降较大的特点，故其改建的水平旋流内消能泄洪洞也具有大坡降的特点。本文结合国家自然科学基金-雅砻联合基金，以两河口水电站后期导流洞改建为大坡降水平旋流内消能泄洪洞单体模型试验为基础，对大坡降后期导流洞改建的具有大坡降特点的复合式水平旋流内消能泄洪洞各项水力特性进行探讨。
　　本次试验通过调节阻塞孔口收缩比和起旋器孔口收缩比，共确定5组试验方案。试验时控制上游水位，对各体型大坡降水平旋流段的流态及各项水力特性进行量测，定性的描述出大坡降水平旋流段的壁面压强、空腔直径、水流旋转角以及水平旋流段流速分布随起两孔口收缩比的变化规律，并找出泄流量和两孔口尺寸的关系。本文还对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了初步研究，提出了阻塞渐扩和阻塞突扩方案两种不同的衔接方式，并对两种体型旋流扩散段局部水力特性进及其旋流扩散轨迹行了量测和分析。
　　研究结果表明，当上游水位一定时，起旋器喉口和阻塞孔口收缩比决定了大坡降水平旋流洞段的流态及各项水力特性。其中，起旋器喉口收缩比决定了大坡降水平旋流洞内的旋流的初始状态，而其末端的阻塞孔口收缩比则控制着大坡降水平旋流洞段的整体流态。调整阻塞的孔口收缩比，水平旋流段各项水力特性均发生明显改变，如壁面压强、水平旋流段空腔直径、水流旋转角、水平旋流段径向流速和环向流速、水层厚度、通风量等。由此可见，大坡降水平旋流段各项水力特性与流态紧密相关，其中一项水力特性改变意味着所有水力特性均将发生改变。
　　对于阻塞扩散段两种体型而言，该段流态及各项水力特性均有较大差异。其中，阻塞突扩方案水流直接打击导流洞壁，打击点处壁面压强较大，附壁扩散水流掺气浓度也较高；而阻塞渐扩方案扩散段整体壁面压强均较小。而对两者导流洞段附壁抛射轨迹进行对比，两种体型在不同上游水位下通过导流洞顶部、左岸壁面定点的抛射轨迹基本相差不大，但导流洞右岸附壁水流扩散轨迹差异较大；而在上游水位相同时，阻塞渐扩方案体型抛射轨迹与导流洞轴线夹角略小，附壁水流段长度也略长。

目录

独创性声明

学位论文使用授权声明

主要符号表

1. 绪论

1.1 问题的提出

1.2 旋流式内消能工的基本型式及消能特点

1.3 旋流式内消能工的研究、应用现状及进展

1.3.1 旋流式内消能工的研究方法

1.3.2 国外研究、应用概况

1.3.3 国内研究概况

1.3.4 国内工程应用概况

1.4 新型旋流阻塞内消能工的研究进展与应用

1.4.1 洞塞消能工研究

1.4.2 旋流阻塞内消能工的研究

1.4.3 水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段研究问题的提出

1.5 本文研究的目的、意义及主要内容

1.5.1 本文研究的目的与意义

1.5.2 本文研究的主要内容

2. 模型设计与量测

2.1 试验系统总体布置、制作及其体型

2.2 模型试验工况及量测内容

2.3 模型试验测点布置及量测方法

2.3.1 上游水位及流量的量测

2.3.2 壁面压强的量测

2.3.3 大坡降水平旋流洞段流速、空腔直径及水流旋转角的量测

3. 基本流态及泄流量变化规律

3.1 大坡降复合式水平旋流旋流内消能泄洪洞的基本流态

3.1.1 上游开敞式进口的流态

3.1.2 大坡降复合式水平旋流洞的流态

3.2 泄流量的变化规律及大坡降旋流内消能泄洪洞的流量设计

3.2.1 泄流量变化规律

3.2.2 旋流内消能泄洪洞的泄流量设计

3.3 本章小结

4. 大坡降复合式旋流内消能泄洪洞竖井段及水平旋流段的水力特性

4.1 大坡降复合式旋流内消能泄洪洞的壁面压强特性

4.1.1 大坡降复合式水平旋流段壁面压强的影响因素分析

4.1.2 大坡降复合式旋流内消能泄洪洞壁面压强变化规律

4.2 大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞的空腔直径变化规律

4.3 大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞的水流旋转角变化规律

4.4 大坡降复合式旋流内消能泄洪洞流速分布的变化规律

4.4.1 影响旋流段流速的因素分析

4.4.2 大坡降水平旋流洞段流速的变化规律

4.5 本章小结

5. 大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞阻塞扩散段的试验研究

5.1 阻塞扩散段的体型设计及测点布置

5.1.1 阻塞扩散段的体型设计

5.1.2 阻塞扩散段的测点布置及量测方法

5.2 阻塞扩散段的流态

5.3 阻塞扩散段的部分水力特性

5.3.1 附壁水流壁面压强的分布规律

5.3.2 阻塞扩散段掺气浓度的分布规律

5.4 旋流扩散段的扩散轨迹

5.4.1 相同体型不同上游水位扩散轨迹的比较

5.4.2 不同阻塞扩散体型相同上游水位扩散轨迹的比较

5.4.3 不同阻塞扩散体型附壁水流落点比较

5.5 旋流扩散体型的工程应用研究

5.5.1 旋流渐扩方案旋流扩散体型的工程应用研究

5.5.2 旋流突扩方案旋流扩散体型的工程应用研究

5.6 本章小结

6. 主要结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 大坡降复合式水平旋流内消能泄洪洞的展望

致谢

参考文献

附录