起旋器收缩比不同时水平旋流内消能工的水力特性研究

摘要

我国西部水利枢纽工程具有高落差,大泄量,狭河谷,枢纽消能布置困难的特点。而传统的挑流消能方案,又常出现雾化,空蚀破坏,岸坡冲刷等较难克服的问题。在水利枢纽工程中导流洞投资巨大,却属于临时性建筑,于是考虑将导流洞充分利用改建为泄洪洞。作为一种新的泄洪消能方式——竖井进流水平旋流内消能工成为目前越来越多专家学者的关注、研究热点。本文采用理论分析和试验比较的方法就该种消能工的起旋器收缩断面大小发生系列变化情况下,其在高水头,大泄量应用时所产生的一些水力特性变化进行探讨和研究。通过查阅文献和理论研究,经水工模型试验验证,取得了一些富有创新和工程实际应用价值的结果,无论是从广度上还是从深度上,本项研究都具有一定的探索性和开创性。通过对我国目前在泄洪,消能中所面临问题的分析,以及对传统消能方式存在问题的考虑,提出竖井进流水平旋流内消能工的设想。将这种消能工与传统消能工进行比较分析,对其特点进行阐述。在原有基本体型基础上提出将起旋器收缩断面大小进行改变,给出0.25、0.35、0.45、0.55四种收缩比进行水工模型试验,对其收缩比发生系列变化情况下所产生的水力特性进行分析研究。本次模型试验所做的主要工作及主要成果如下:(1)在试验过程中,通过对不同收缩比时的流态观察,与原有基本流态划分作比较,考虑泄水道洞长影响因素,认为在自由流流态和吸吮流流态之间存在一种过渡流流态。收缩比较小时(0.25、0.35)流态变化相对复杂;在收缩比较大时(0.45、0.55),流态变化相对简单,未能出现淹没流流态。(2)随着收缩比的增大,泄流量也随之增大,收缩比在0.45时比0.35时泄水量增长39.8％,而收缩比在0.55时较之0.45时泄水量仅增长8.38%,通过数据分析分别得出流量系数与起旋器出口断面Fr、上下游水位差之间的经验公式。(3)对收缩比发生变化时环流空腔的空腔直径、空腔压强、泄水道的壁面压力及泄水道过渡段水流与洞轴线之间的夹角的变化规律进行了分析研究。(4)对起旋器与泄水道衔接处圆弧段易发生空蚀破坏部位的壁面压力进行了计算分析,得出在衔接段2 ~27 l 3l处易发生空化空蚀破坏,在工程应用中应加以重视。(5)通过对四种体型下的系统消能率计算,可以得出该种消能工系统消能率在71%～89%,具有良好的消能效果。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 旋流式内消能工的基本形式及消能特点

1.3 旋流式内消能工国内外研究和应用现状

1.3.1 国内研究和应用状况

1.3.2 国外研究状况

1.4 水平旋流内消能工基本水力特性研究现状

1.5 本论文研究的目的和意义

1.6 研究的主要内容

2 模型设计及试验研究

2.1 模型设计、试验工况与量测

2.1.1 模型试验设计

2.1.2 模型试验的工况，量测内容及量测方法

2.2 模型比尺的拟定

2.3 本章小结

3 模型试验的流态变化分析

3.1 以往基本流态划分的研究

3.2 本次模型试验的流态分析

3.2.1 泄洪洞流态划分的方法介绍

3.2.2 本次模型试验体型与原基本流态分析体型的比较

3.2.3 泄水道处于“短洞”与“长洞”时流态的比较

3.2.4 收缩比变化时对泄水道流态的比较

3.3 本章小结

4 起旋器收缩比不同时泄流量及通风量变化规律研究

4.1 泄流量的变化规律

4.1.1 泄流量的影响因素及计算公式

4.1.2 收缩断面大小对泄流量的影响

4.1.3 吸吮度对泄流量的影响

4.1.4 收缩比对起旋器出口断面佛汝德数与流量系数之间关系的影响

4.2 水平旋转内消能泄洪洞通风孔通风量的变化规律

4.2.1 通气孔布置的目的及其意义

4.2.2 不同收缩比时通风量随上游水位的变化

4.2.3 不同收缩比时通风量随下游水位的变化

4.3 泄流量与通风量之间的变化关系

4.4 本章小结

5 收缩比变化对壁面压力分布规律影响的研究

5.1 不同收缩比时泄水道壁面压力随上游水位的变化规律

5.1.1 泄水道洞顶压力变化规律

5.1.2 泄水道洞底压力变化规律

5.1.3 泄水道洞前端中部壁面压力变化规律

5.2 不同收缩比在下游水位变化时对泄水道壁面压力的影响

5.3 收缩比对泄水道过渡段壁面压力的影响

5.4 泄水道不同断面环向壁面压力变化规律

5.4.1 收缩比对泄水道起始断面环向压力的影响

5.4.2 收缩比对泄水道沿程断面壁面压力的影响

5.5 起旋器段壁面压力变化规律分析

5.5.1 竖井、起旋器段壁面压力随收缩比变化

5.5.2 起旋器段壁面压力随上下游水位变化

5.6 起旋器与泄水道衔接处壁面压力变化规律

5.7 本章小结

6 收缩比变化对空腔直径、空腔压强及系统消能率影响的研究

6.1 空腔直径的基本变化规律的试验研究

6.1.1 决定与影响环流空腔内空腔直径的因素

6.1.2 环流空腔直径随上下游水位的变化规律

6.1.3 环流空腔直径随收缩比的变化规律

6.2 空腔压强的基本变化规律

6.2.1 对空腔内气体压强产生影响的因素

6.2.2 空腔内气体压强随上下游水位的变化规律

6.2.3 收缩比对空腔内气体压强的影响

6.2.4 空腔内气体压强与气旋器出口佛汝德数的关系

6.3 过渡段水流旋转角的变化

6.4 不同收缩比体型下的消能率状况

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 下一步研究展望

致谢

参考文献

附录