旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性(2)

通过模型试验对旋流阻塞复合式泄洪洞的压力、旋流角和空腔直径等水力特性进行了研究。设置阻塞后,起旋器与阻塞之间的水平洞段正压力明显增加与均化,沿程压力变化减小;由于离心力与旋流的作用,阻塞出口之后是完全掺混的水气两相流,阻塞后流速降低,空化的可能性减小,旋流洞段的范围极大地缩短;空腔直径减小,通风量需求减小。因此可利用水平旋流内消能泄洪洞的阻塞效应,进一步改善导流洞改建时的结构设计与防护措施。

旋流阻塞复合式泄洪洞的水力特性(1)

对旋流阻塞复合式泄洪洞的体型设计进行探讨,并通过模型试验对其流态和水力特性进行了研究。阻塞对水流流态有明显的影响,水平旋流阻塞复合式洞的水流流态可划分为不完全旋流以及完全旋流2种基本流态。泄流能力由起旋器与阻塞共同控制,阻塞孔径对泄流量影响较大,但阻塞位置对流量影响不明显。如考虑阻塞的影响,泄流量计算公式的形式可不变。阻塞影响系数ξ与d/D的关系近似为线性关系。阻塞对通气孔的通气状态产生明显影响:不同阻塞设置位置相同时,阻塞孔径越大,通风量越大;相同阻塞设置位置不同时,越靠近下游,通风量越小。

旋流阻塞与旋流扩散复合式内消能泄洪洞的水力设计

结合雅砻江两河口水电站后期3#导流洞和大渡河猴子岩1#导流洞的改建,在研究旋流阻塞和旋流扩散复合消能泄洪洞的水力特性基础上,对该类型复合式旋流内消能泄洪洞的设计原理与方法进行研究探讨,和开敞式进口、起旋器、阻塞与旋流渐变扩散段的体型进行了设计与计算,为1000 m3/s以上泄流量、150 m作用水头量级的导流洞改建为旋流内消能泄洪洞工程水力设计提供参考。

阻塞式旋流泄洪洞空腔环流的能量特性

旋流泄洪洞内的空腔环流既不同于常规有压流,也不同于明流,因此采用理论分析和模型试验相结合的方法,建立了空腔环流断面的能量积分表达式,并对具有较好抗空化特性的阻塞式旋流泄洪洞内空腔旋流的能量特性进行了研究。结果表明:建立的空腔旋流能量方程利用相关水力特性进行计算的结果符合洞内的能量变化和转化规律,随着阻塞面积收缩比的增大,空腔环流的压强势能所占比例明显增加,动能所占比例减小,与阻塞收缩比增大时壁面压强增大、流速减小的规律一致;在水平洞起始段,切向动能大于轴向动能的部位延长,在阻塞面积收缩比m=0.49时,约增长至5倍洞径长处;增加阻塞,对竖井段的能量损失影响很小,但能较大提升水平旋流洞段的消能率。

旋流阻塞与旋流扩散复合内消能泄洪洞的壁面压强特性

结合雅砻江两河口水电站3#导流洞改建的水工模型试验,研究了新型旋流阻塞和旋流扩散复合内消能泄洪洞的壁面压强特性。研究结果表明:在淹没堰流流态时,壁面压强在进口的堰面、竖井段和旋流洞段因阻塞的顶托作用整体增大;在起旋器出口下游侧的旋流洞的顶部仍然存在局部范围的低压区或负压区;在旋流阻塞段,流速增大,壁面压强减小,水流空化数降低;在旋流扩散段,壁面压强略大于或小于大气压。

基于准自由涡分布的阻塞旋流泄洪洞流场分析

为解决高坝泄洪建筑物亟待解决的高速水流问题,提出新型的阻塞旋流泄洪洞。采用试验研究和理论分析相结合的方法,对该类泄洪洞在不同阻塞体型下的流态、泄流量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行研究,并在此基础上基于准自由涡分布理论对旋流流场进行分析。结果表明,阻塞有利于改善旋流洞内流态,增大壁面压强,可大大减小空化可能性;阻塞使旋流空腔半径减小,旋流角增大,同时阻塞处水流急剧紊动,提高了水流消能率;阻塞可减小泄流能力是其不利之处。依据水流流动的形成机理分析和试验实测流速分布特点,基于准自由涡分布规律对切向流速进行分析,得到相关参数;建立了壁面压强、旋流角、空腔直径、泄流量与切向流速分布参数等水力特性间的关系式和相对轴向流速的计算表达式,并通过试验实测数据验证了旋流准自由涡运动规律的正确性。研究成果可为阻塞旋流泄洪洞的研究与应用提供参考。

阻塞对水平旋流泄洪洞水力特性的影响

通过模型试验,对旋流阻塞复合式泄洪洞的流态与水力特性进行了研究。研究结果表明,在竖井为有压流的条件下,旋流阻塞复合式泄洪洞的流态可分为阻塞完全与阻塞不完全空腔旋流二种基本流态;设置阻塞后,泄洪洞的流量有一定的减小,水平旋流洞段的壁面压强增大、旋流角增大,空腔直径减小,通气量变化规律更为复杂。设置阻塞后,除泄流量有一定的减小而对工程不利外,其它的阻塞效应均对工程有利。因此利用其阻塞效应,可进一步降低结构设计与防护措施,降低工程风险,提高消能率。

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(1)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对一种新型的水平旋流复合式内消能泄洪洞的流态及水力特性进行了分析。结果表明:旋流洞段为空腔直径沿程变化的旋流,扩散段为气水混掺的旋转两相流;空腔直径沿程表现出分段变化的特点,在起旋室内与阻塞扩散段变化较大,在旋流洞段变化较平缓;旋流洞段壁面压强整体较大,但在旋流阻塞段迅速降低;旋流空腔负压沿程增大并在旋流阻塞起始点达到最大;旋流洞段发生空化空蚀可能性较小,而扩散段末端有出现空化空蚀的可能性,需加强结构设计或采用超空化体型。旋流阻塞的设置增大了旋流洞壁面压强,减小了空化空蚀的可能性。

泄洪洞内具有阻塞与扩散段的水平旋流消能方式水力特性的试验与数值模拟(2)

本文采用Realizable k-ε双方程紊流模型和VOF法,并结合模型试验,对水平旋流复合式内消能泄洪洞的流速分布、旋流角、湍动能、耗散率、以及消能率进行了分析和计算。结果表明:起旋室段存在径向速度,切向入流条件较差;轴向流速沿径向呈对称分布,最大值靠近洞壁;切向流速沿径向呈反对称分布,最大值靠近气水交界面,可视为组合涡分布;旋流角在起旋室段与阻塞扩散段变化较大,中间旋流洞段变化较平缓;紊动能、耗散率在起旋室出口附近及阻塞扩散段较大;计算总消能率约为83%,其中竖井段、旋流洞段和阻塞扩散段各占4.58%、28.45%和49.51%。旋流阻塞的设置不仅减小了旋流洞内发生空化空蚀的可能性,而且增大了洞内消能率,提高了适用水头。

阻塞式旋流泄洪洞的泄量特性分析

本文采用模型试验和理论分析相结合的方法，对阻塞式旋流泄洪洞的泄流规律和影响因素进行了分析。结果表明：泄流规律与旋流洞流态密切相关，进口和竖井非淹没时为堰流泄流，淹没时为有压孔流泄流；进口淹没时泄流量受起旋器喉口和阻塞孔口共同影响，且两个断面处均为有压孔流泄流规律：起旋器喉口流量系数与喉口前水头损失和喉口断面压强有关，且后者为主要影响因素；阻塞孔口流量系数与阻塞前水头损失、以及阻塞导致的相对空腔半径、旋流角和相对壁面压强的旋流特性变化有关；起旋器喉口流量系数在阻塞面积收缩比m=0.56时约为0．4，m≤0.18时介于0．55—0．65；阻塞孔口流量系数在m=0．56时接近0．5，m≤0．18时介于0．25—0．32：给出了起旋器喉口断面面积设计计算表达式。

设置阻塞后旋流洞内的增压特性分析

为解决高水头泄洪时旋流洞内出现较小压强和空化风险等问题,提出了新型的阻塞旋流泄洪洞,该文对设置不同阻塞时的洞内压强特性、增压特性和空化特性进行了模型试验和理论分析。结果表明:设置阻塞后洞内压强增大明显,一定阻塞时起旋器出口附近负压消失;竖井段壁面压强增大主要受起旋器喉口压强影响,旋流洞段主要受切向流速沿径向分布和水流流层厚度影响;随阻塞增大的压强—顶托压强沿程呈分段变化特征,但在竖井洞段和旋流洞段具有较好的保持性;推导了顶托压强的计算表达式并予以试验验证;阻塞大大降低了空化空蚀风险。旋流洞内设置阻塞可以较好地解决高流速时泄洪洞内的负压和空化风险问题。