【摘要】：針對超高水頭下導(dǎo)流洞改建為泄洪洞的泄洪消能問題,提出“射流-旋流梯級內(nèi)消能工”的新型消能方式。該消能方式采用分級消能的思路,一級為射流消能,另一級為水平旋流,可將一個超高水頭泄洪消能問題分解為兩個中低水頭問題,以解決高速水流和消能等問題。本文采用模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對大幅度水位條件下射流-旋流梯級內(nèi)消能工的基本水力特性,以及不同水位對水力特性及相關(guān)水力參數(shù)的影響,進(jìn)行了分析研究,主要結(jié)論有:(1)流態(tài)與上下游水位關(guān)系密切,不同上下游水位變化時,射流段流態(tài)可分為自由出流與淹沒出流,旋流段流態(tài)可分為自由旋轉(zhuǎn)流、過渡流與淹沒旋轉(zhuǎn)流。(2)梯級內(nèi)消能工的流速、壓強(qiáng)等水力特性沿程出現(xiàn)明顯的分段變化特性,其中在各段的阻塞收縮段出現(xiàn)壓強(qiáng)減小,流速增大的變化規(guī)律。(3)豎井水位隨上游水位呈分段線性增大;梯級內(nèi)消能工典型斷面的壁面壓強(qiáng)與上下游水位差呈線性增加,空腔直徑呈先增大后減小,射流段孔口流速呈冪函數(shù)變化。(4)射流段水流空化數(shù)最小值為0.64～1.27,旋流段為0.57～0.94,均大于旋流洞發(fā)生空化的初生空化數(shù),表明梯級內(nèi)消能工在上游水位7D～13.8D,下游水位0.5D～1.5D不會發(fā)生空化。(5)梯級內(nèi)消能工總消能率在71%～81%之間,其中射流段25%～3 8%,旋流段43%～47%,兩級消能分配較為合理。(6)數(shù)值模擬結(jié)果表明,射流段紊動能及耗散率最大值出現(xiàn)在消能段,旋流段出現(xiàn)在起旋器及擴(kuò)散段,表明在各級的擴(kuò)散段是能量消剎的主要位置。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TV135.2
【圖文】：

在特立水電站進(jìn)行了水平旋流洞的成功應(yīng)用[45-46]，為水平旋流洞的設(shè)計和經(jīng)驗。印度特立（Teri）水電站的兩岸四條導(dǎo)流洞均改建成了水平旋流洞[4流，下游出口淹沒，洞頂沿程設(shè)置多個排氣孔，最大作用水頭 203m，泄量 1內(nèi)研究起始于 90 年代，西北院和中國水科院先后結(jié)合拉西瓦和公伯峽工究。其中，董興林、楊開林等人對水平旋流泄洪洞的進(jìn)口體型、旋流洞銜與通風(fēng)量、壁面壓力與空蝕等關(guān)鍵技術(shù)和問題進(jìn)行了研究[48-49]，提出了優(yōu)后來兩家結(jié)構(gòu)同西北水科所和西安理工大學(xué)通過大量的常壓和減壓模型試公伯峽水平旋流泄洪洞的最終方案。該電站于 2006 年建成，同年 8 月經(jīng)行良好[54]。公伯峽水平旋流洞為國內(nèi)首個改建而成的水平旋流泄洪洞（見水平旋流洞后接水墊塘的消能方式，最大下泄流量 1060m3/s，上下游水位能率達(dá) 85%以上[55-56]�；诠畭{工程，牛爭鳴[57-67]對水平旋流洞進(jìn)行了就基本水力特性，下游水位、通氣孔直徑、起旋器喉口尺寸等對水力特性流消能的消能機(jī)理、空化空蝕等問題進(jìn)行了深入探討。為增大消能率，并下游水流的順利過渡，在旋流洞末端設(shè)置了收縮墩加水墊塘的消能方式。施與技術(shù)，對水平旋流洞的應(yīng)用有非常重要的參考價值。

1 緒論高時，起旋器出口會不可避免地出現(xiàn)大幅壓力降[50][68]，若出現(xiàn)較小壓強(qiáng)或負(fù)壓時，易引發(fā)旋流洞內(nèi)的空化空蝕。公伯峽減壓模型試驗發(fā)現(xiàn)，旋流洞中后段有空化云出原型觀測時該位置也發(fā)生了局部表面混凝土剝落現(xiàn)象，經(jīng)分析其由施工缺陷造成，但排除長時間運行或更高水頭作用時存在空蝕破壞風(fēng)險可能。牛爭鳴[69-70]提出旋流阻塞消能方式（見圖 1-2），可顯著增大起旋器與旋流洞內(nèi)的壁面壓力，降低洞內(nèi)流速，改善洞內(nèi)空化空蝕問題，并增大消能率。牛爭鳴結(jié)合雅礱江兩河口和大渡河猴子巖工該消能方式進(jìn)行了大量試驗研究，分析了其基本水力特性的分布與變化規(guī)律[71-73]。曹[74]以自由渦假定為基礎(chǔ)，分析了水平旋流消能的水力特性及能量及動量變化規(guī)律。龍[75-77]基于準(zhǔn)自由渦假定其水力特性進(jìn)行了較為深入研究，研究表明旋流阻塞復(fù)合內(nèi)工的空腔旋流更符合準(zhǔn)自由渦運動；并基于準(zhǔn)自由渦理論，對該類旋流洞的泄量特量特性以及阻塞的增壓特性進(jìn)行了深入分析。

圖 2-1 臺階型 圖 2-2 順直型Fig.2.1 Stepped plug Fig.2-2 Straight plug圖 2-3 收縮型Fig.2-3 Shrinkage plug. 收縮段的設(shè)計縮段的設(shè)計的關(guān)鍵兩個參數(shù)為斷面收縮比 A2/A1和收縮段長度 L2，由文獻(xiàn)[18/A1<0.5 時，消能率才能達(dá)到消能要求，但如果 A2/A1取值太小會影響泄洪洞泄次試驗體型選取 A2/A1=0.435，其中 A1為射流進(jìn)口斷面面積，A1=πD12/4；故31.15m2，收縮孔口直徑 D2為 6.3m；收縮段長度 L2決定著射流退水段內(nèi)水流文參照《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，初步確定收縮段長度 L2為 7.8m。. 射流消能段的設(shè)計

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本文編號：2767667