改进型深筒式消力井水流特性研究及结构优化

摘要

深筒式消力井是一种适合高水头、小流量的消能方式，这种消力井具有消能效率高和施工简单的特点。水流进入井内出现相互混渗、碰撞、剪切等现象。水流紊动，使水流层之间产生相对移动，由于流体存在黏滞性，液体之间产生内摩擦力，从而达到消能目的。由于井内水流流态比较复杂，消能效率与水流平顺之间存在着相互矛盾的问题。因此，本文是通过对深筒式消力井消能效果与水流平顺之间的平衡关系进行研究，即达到消能效率高，又能使消力井稳定，不会造成太大的波动。
　　本研究是通过理论分析与室内试验相结合的方式进行。通过理论分析，提出消力井消能的基本设想方案，再结合室内试验的方法去验证这些基本方案，最终确定达到最佳消能的结构尺寸参数，为工程的实际应用提供指导。并对优化后的消力井内部的水流流态进行数值模拟。
　　（1）通过对传统式消力井进行理论分析，了解了消力井消能的基本机理、消能效果及井内水流流态的变化规律，从而为后期改进型消力井的研究奠定基础。通过传统式消力井研究发现：闸板阀的消能比重随流量的增加而减少，消力井的消能比重随流量的增加而增加；当流量增加到一定程度时，闸板阀和消力井的消能比重均趋于一个稳定的数值，不再发生改变；在工况为小流量的情况下，闸板阀消耗了大约83％的能量，而消力井仅消耗了17%的能量，说明了闸板阀才是消力井消能的关键部位；同时井底中央处的压强大于井内的静水压强，呈现冲刷状态；而井底靠近井壁处的压强小于井内的静水压强，呈现负压状态。
　　（2）对传统式消力井研究发现，井底中央处的压强随着流量的增加而增加，井底靠近井壁处的压强随流量的增加而减小。而采用多孔喷头式改进型消力井，不仅使井底各处的压强趋于平稳，而且消能效果比传统式消力井更优，井内内部水流流态更加平稳，同时喷射出流出水处设置的套筒阀更加方便实际工程的管理。
　　（3）由于目前传统式消力井对井底造成的不利影响，提出对消力井进行改进，通过室内试验研究发现：改进型消力井的消能效率随流量的增加而增加，当流量增加到一定程度时，消力井的消能率开始趋于一个稳定数值，不再发生变化。在相同开孔率条件下，多孔喷头的最佳开孔间距比为2.5时，此时的消能效果最佳。
　　（4）改进型消力井在增加溢流挡板后，增加了平流稳压井，出水管口处的水流流态比传统式消力井更加平稳；在保证流量一定情况下，出水管的位置高程布置在最低处时，平流稳压井的消能效果达到最佳。在小流量下，平流稳压井具有一定的消能效果；随着管道流量的增加，消力井井筒的自由水面与平流稳压井的自由水面高程相等时，平流稳压井的消能效果完全消失。
　　（5）消力井结构虽然简单，但是井内水流流态比较紊乱。改进后的消力井消能效率更加明显，水流之间的混掺、碰撞更加剧烈。通过数值模拟描述了井内水流流体的时均流速与紊流特征，确定消力井边界条件。根据封闭紊流边界条件，对消力井井内水流流态进行模拟，为消力井消能机理的研究提供了一种方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外的研究动态及发展趋势

1.3国内外对消力井的研究

1.4国内外研究的进展

1.5传统式与改进型消力井的对比

第二章 消力井研究目的与设计

2.1研究内容

2.2研究目的

2.3可行性分析

2.4 技术路线

第三章 传统式消力井消能效率及井底压强分布研究

3.1 传统式消力井的工作过程及消能机理

3.2 消力井消能率的计算

3.3传统式消力井井底压强的分布

3.4本章小结

第四章 改进型深筒式消力井消能试验

4.1消力井的改进方案

4.2改进型消力井的消能效果

4.3消力井管径大小的确定

4.4改进型消力井井筒消能率的确定

4.5改进型消力井水流流态的变化

4.6本章小结

第五章 改进型消力井流场分析

5.1 边界条件的处理

5.2不同开孔间距比下射流流场数值模拟

5.3多孔喷头射流流速变化数值模拟

5.4不同开孔间距比下井内流场数值模拟

5.5数值模拟与试验值的对比

5.6本章小结

第六章 改进型深筒式消力井的结构优化

6.1改进型消力井结构优化方案

6.2改进型消力井最优结构形式的确定

6.3本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

作 者 简 介

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