某工程竖井旋流泄洪洞水力特性研究

摘要

我国新建水电站多位于水头高、泄量大的深山峡谷地区，对泄水消能建筑物的要求较高，其中，竖井旋流泄洪洞就是一种理想的消能工形式，不仅消能效率高，掺气量大，布置方式灵活，而且适用于窄河谷、大流量、高落差、复杂地形地质条件。目前该技术在中小水电站中的得到了广泛的应用，但对于超高水头大泄量条件下，竖井旋流泄洪洞还处于探索阶段，没有实际工程应用可做参考，可借鉴的经验也比较少。因此，采用水工模型试验对某工程超高水头(240m)大泄量(1421m3/s)竖井旋流泄洪洞的水力特性进行探索研究是必要的。由于在模型试验中，竖井旋流泄洪洞的水力参数测试多局限于竖井壁面，常规测量方法很难对竖井内部有关数据进行测量，因此辅助采用数值模拟对该竖井旋流泄洪洞旋转水流进行模拟计算来补充验证是至关重要的。通过本论文研究得出结论如下:
　　(1)首先依据该竖井旋流泄洪洞的水工模型试验，对竖井上平段及涡室连接段体型进行了优化研究，通过调整涡室椭圆曲线、折流坎及导流坎尺寸，涡室连接段表面壅水明显减弱，涡室顶部留有足够的通气空间，上平段通气顺畅，满足运行要求。对竖井与导流洞衔接段体型进行了优化研究，重点比较了不同衔接段体型竖井底板的脉动压强。试验表明:当压坡出口面积增大时，水流紊动程度增加，竖井底板所受的最大脉动压强增大，且竖井底板出现最大脉动压强的工况也发生改变。通过分析压坡口面积与竖井底板所受最大脉动压强值之间的关系，本文引入了单位水体能量消耗量的概念，竖井水垫区单位水体需要消耗的能量越多，竖井底板所受的最大脉动压强就越大。增加消力井深度，延长压坡长度及改变压坡孔口数量均不能降低竖井底板所受的最大脉动压强。
　　(2)将紊流模型计算结果与模型实验数据进行对比分析发现:三种紊流模型模拟计算所得的空腔直径、竖井壁面压强、旋流角等参数变化趋势与模型试验测试结果基本相同，但量值有所差别。相比较而言，Realizable k-ε紊流模型计算所得旋转水流的空腔直径、压坡底板与部分竖井壁面压强、旋流角，在量值上更接近试验测量值。因此，Realizable k-ε紊流模型能够更好的模拟这种具有超高水头，大泄量，强旋转并带有自由液面旋转水流的水力特性。
　　(3)通过Realizable k-ε紊流模型计算结果，分析研究了水流流态、空腔直径、压强及旋流角等水力要素的分布规律，并得出:竖井内旋转水流的水层厚度分布不均，主流水体，水层较厚，非主流水体，水层相对较薄。旋转水流切向流速的衰减梯度从上到下逐渐降低;在竖井前半段，轴向流速随竖井高度的降低增加较快，竖井中下段，主流水体的轴向流速增加明显，而非主流水体增加缓慢。
　　(4)在Realizable k-ε紊流模型计算结果与实测值吻合良好此基础上，利用数值模拟结果计算了不同断面的能量大小，获得了竖井旋流泄洪洞各部位的消能形式及消能率分布。实验结果表明，竖井起始部位主要消去旋转水流的切向动能，占总能量损失的6.19％;中间部位主要消去旋转水流的位能，占总能量损失的21.18％;下半部位利用环状水跃及水垫池消去旋转水流大部分的剩余能量，占总能量损失的58.69％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义及背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外现状

1．2．2 国内现状

1．3 工程概况

1．4 本文研究内容及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2．1 试验模型设计

2．2 模型试验研究目的及内容

2．3 原方案设计的试验测量

2．3．1 泄流能力

2．3．2 上平洞段水面线测试

2．3．3 涡室连接段及竖井内流态

2．3．4 竖井与下平洞衔接段及下平洞段水流流态

2．3．5 原方案成果小结

2．4 上平洞末端及涡室连接段的优化

2．5 竖井与下平洞衔接段体型优化

2．5．1 衔接段体型对导流洞水流流态的影响

2．5．2 竖井与下平洞衔接段开挖消力池系列修改

2．5．3 围绕下平洞段水面线的体型修改

2．5．4 调整压坡口高度措施

2．5．5 顶部采用圆弧曲线和断面为圆弧拱的连接方式

2．5．6 下平洞末端开挖消力池与附加设施

2．5．7 小结

2．6 竖井与下平洞衔接段体型与竖井底板脉动压强的关系

2．6．1 消力井底板脉动压强

2．6．2 消力井井深对底板压强的影响

2．7 衔接段体型与竖井底板脉动压强的关系

2．7．1 压坡孔口面积对底板压强的影响

2．7．2 消力井井深对底板压强的影响

2．7．3 压坡长短对底板脉动压强的影响

2．7．4 单压坡孔口和双压坡孔口对底板压强的影响

2．7．5 推荐体型

2．7．6 竖井与下平洞洞衔接段修改试验小结

2．8 推荐体型实验参数的测量

2．8．1 泄流能力

2．8．2 水流流态

2．8．3 流速分布

2．8．4 压强分布

2．8．5 旋流角

2．9 总结

第三章 竖井旋流泄洪洞的数值模拟研究

3．1 湍流模型

3．1．1 标准k-ε紊流模型

3．1．3 RNG k-ε紊流模型

3．2 VOF模型

3．3 计算区域及网格划分

3．4 边界条件及自由液面处理

3．5 数值模拟结果分析

3．5．1 流态比较

3．5．2 压强比较

3．5．3 旋流夹角的比较

3．5．4 综合分析

3．6 本章小结

第四章 模型试验与数值计算结果的对比

4．1 水流流态

4．2 壁面压强

4．3 旋流角

4．4 流速

4．5 消能率

4．6 消能机理的分析

4．7 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 论文研究总结

5．2 主要创新点

5．3 展望

参考文献

附件

致谢

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