射流-旋流梯級內(nèi)消能方式是一種超高水頭下的新型消能方式,具有廣泛的應(yīng)用前景。它的提出可以將一個高水頭問題轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚�或多個中低水頭問題,以解決單一內(nèi)消能工在高水頭泄洪消能中存在的各類高速水流問題,同時讓高壩導(dǎo)流洞改建泄洪洞成為可能,以節(jié)約工程投資。該消能方式由兩級消能組成,分別為第一級的淹沒射流消能和第二級的旋流消能。本文依托國家自然科學(xué)基金“射流-旋流梯級內(nèi)消能工消能機理與適宜水力條件”,采用模型試驗、數(shù)值模擬和理論分析的方法,對射流-旋流梯級工的水力特性、泄流規(guī)律、各部位能量變化及消能率進行研究,并對空化可能性做出評價,主要研究成果如下:(1)梯級消能工的流態(tài)分區(qū):射流段非淹沒射流,旋流段不穩(wěn)定空腔旋轉(zhuǎn)流;射流段非淹沒射流,旋流段初步形成較穩(wěn)定的空腔旋轉(zhuǎn)流;射流段為淹沒射流,旋流段形成穩(wěn)定的空腔旋轉(zhuǎn)流。梯級消能工在上游水位H≥8.8D且豎井水位淹沒射流消能段洞頂時可滿足雙穩(wěn)運行條件。(2)射流收縮段壓強突然減小,在射流尾水洞段基本保持不變;旋流洞段壁面壓強在旋流阻塞段明顯下降,上游水位的變化對旋流段壁面壓強值影響較大。(3)流速在射流收縮段、旋流阻塞孔口段局部增大。旋流段沿程斷面的切向流速值從空腔邊沿開始,沿徑向方向先升高后降低。(4)射流收縮段孔口流量系數(shù)與流速水頭系數(shù)以及收縮孔口壓強相關(guān),起旋器喉口流量系數(shù)與沿程水頭損失、起旋器喉口壓強等有關(guān),阻塞孔口流量系數(shù)與沿程水頭損失、旋流角、空腔半徑、壓強特性等相關(guān)。(5)梯級消能工消能主要包括射流收縮段、旋流消能段和阻塞擴散段,總消能率較高,在81%左右。(6)射流退水洞前段在上游水位8.8D時有較大負壓;旋流退水洞段前段在下游淹沒時也存在較大負壓。但擴散段水流摻氣充分而均勻,空化可能性降低,可采取其他防空化措施。
【學(xué)位單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TV135.2
【部分圖文】：

第二章梯級消能工模型試驗與數(shù)值模擬方法9數(shù)值模擬工況選擇設(shè)計工況7，設(shè)置對應(yīng)的邊界條件。第一段射流段進口條件是按上游水位13.8D的壓力進口，進口處近似靜水壓強分布。第二段旋流段的進口條件設(shè)置為流速進口，根據(jù)實測設(shè)置流速值為9.24m/s。b出口條件的確定數(shù)值模擬工況選擇設(shè)計工況7，第一段出口條件設(shè)置為壓力出口條件；第二段旋流洞段的出口條件設(shè)置為壓力出口條件，可根據(jù)實測的下游水池水深值設(shè)置參數(shù)，出口壓強近似靜水壓強分布。壁面條件選擇無滑移壁面條件。各邊界條件的設(shè)置如圖2-2所示。（a）第一部分射流段（b）第二部分旋流段圖2-2梯級消能工各段網(wǎng)格及邊界條件示意圖Fig.2-2Sectionalgriddiagramofstepenergydissipator2.2.3阻塞擴散段水氣兩相流的數(shù)值模擬模擬工況：選擇上游為設(shè)計水位、下游略淹沒狀態(tài)的典型工況9（上游水位13.8D，下游水位1.7D）來進行數(shù)值模擬研究；進口斷面：旋流洞段空腔旋流經(jīng)過一段距離的發(fā)展，在旋流段后端水流逐漸穩(wěn)定，在此處選擇進口斷面；出口斷面：水流經(jīng)過阻塞孔口，在退水洞前半段水氣充分混摻，消耗大量能量，進而流速降低，氣體逐漸在下游排氣孔排出，在附近選擇出口斷面。數(shù)學(xué)模型：對阻塞擴散段進行數(shù)值模擬研究，選擇采用Realizablek-ε雙方程紊流模型和Mixture兩相流模型。選擇混合兩相流模型的原因：計算域水氣混摻，氣相分布范圍廣、相間曳力規(guī)則不確定[45-47]，對精度要求不高；同時相關(guān)研究人員利用混合模型對旋流擴散段水氣兩相流進行數(shù)值模擬，證明了混合模型的適用性。計算域：選擇阻塞段前樁號0+187.8m至退水洞前段樁號0+245.4m之間的水流區(qū)間作為計算域。網(wǎng)格劃分：采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，同時采用O型剖分。邊界條件：根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)，設(shè)置進口速度條件和壓力出口條件，壁面條?

水氣兩相流段計算域Fig.2-3Thecalculationgrangeoftwo-phaseflow

第三章射流-旋流梯級內(nèi)消能工的基本水力特性成果113射流-旋流梯級內(nèi)消能工的基本水力特性試驗成果本文進行了10組不同上、下游水位組合工況下（見2.1.2節(jié)表2-2）的模型試驗，對泄流量、壓強分布、空腔直徑、旋流角、切向流速分布等水力特性進行了量測，并分析了各水力特性隨不同上下游水位變化時的分布與變化規(guī)律。3.1流態(tài)3.1.1各實驗工況洞內(nèi)水流流態(tài)a.上游水位7D、下游自由出流時流態(tài)上游水位7D，下游為自由出流時，射流洞段進口為滿流，通過射流收縮孔口后發(fā)展為射流，在射流消能段內(nèi)跌落流向豎井，位置流態(tài)如3-1（a）所示；豎井中有水流跌落，水流中摻雜氣泡，同時由于泄流量較小，豎井水流沿井壁流出，位置流態(tài)如3-1（b）所示；豎井下部設(shè)置有起旋裝置，水流沿著井壁流向起旋器，在起旋器作用下水流在旋流段內(nèi)形成旋轉(zhuǎn)流，由于上游水位較低，水平旋流洞內(nèi)為弱旋轉(zhuǎn)水流，流態(tài)不穩(wěn)定，旋流段前端水汽混摻均勻，旋流洞內(nèi)流態(tài)見圖3-1（c）。水流經(jīng)過旋流阻塞孔口后擴散，在距阻塞孔口6.3m處跌落，形成自由出流流向下游水池。流態(tài)見圖3-1（d）。（a）射流段進水口（b）豎井水流（c）水平旋流洞段水流（d）旋流阻塞擴散段圖3-1上游7D，下游0.5D不同位置流態(tài)Fig.3-1Differentlocationsinupstream7D,downstream0.5D
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本文編號：2864848