洞塞式内流消能工的水力特性研究

摘要

洞塞式消能工是利用水流的突缩突扩作用进行消能的消能工，本文在总结前人研究的基础上，应用试验、数值模拟和理论分析手段研究了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能机理、空化特性以及多级洞塞泄洪洞的设计流程，并探索把洞塞式消能工应用到大型水电工程的可能性，得出的结论包括： 1、通过实验及数值模拟研究，得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的洞塞内及洞塞后的压强恢复长度，得出了洞塞出口面积收缩比与压强恢复长度的关系。 2、得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的水头损失系数的表达式。研究表明，雷诺数对水头损失系数几乎无影响。 3、研究表明，台阶洞塞最佳的辅、主洞塞直径之比应为1.1，辅助洞塞的长度应为洞塞前管道直径的0.4倍。 4、论文认为，理想的收缩式洞塞体型应使洞塞进、出口处的压强相等，数值计算解雇得出了收缩洞塞最佳的进、出口直径比与洞塞出口面积收缩比的关系以及收缩洞塞长度与水头损失的关系。 5、应用激光流速仪对三种体型洞塞的时均流速和脉动流速进行了测量，结果表明：在洞塞内部，时均流速在洞塞进口0.133倍管道直径后分布均匀，洞塞出口后的主流再附着点位于洞塞出口后的1～2倍管道直径处，洞塞出口3倍管道直径后的断面流速分布均匀；总体而言，在回流区以外，径向流速均较小，约为轴向流速的10％。三种体型洞塞的脉动流速的大小为时均流速的10～30％，在洞塞段及洞塞后扩散段较大，最大值位于时均流速梯度较大的剪切层附近，对同一断面而言，轴线上的脉动流速小于两侧的脉动流速。 6、应用动量积分方程建立了洞塞的水头损失系数与洞塞面积收缩比的理论公式，该公式与试验值吻合良好。 7、研究表明，洞塞突缩消能的原因有三：一是由于洞塞进口前形成较大的流速梯度，流层之间的强剪切作用构成能量耗散，二是洞塞进口角隅存在一逆时针漩涡，三是洞塞进口处的高流速带以类似于射流的形式冲击环境流体，与环境流体摩擦、混掺，产生能量耗散；洞塞突扩消能的原因是由于突扩水流形成强紊动、强剪切射流以及产生大尺度漩涡，从而在射流内部、射流边界层及漩涡区产生紊动混掺作用。 8、对洞塞脉动压强特性的分析表明：顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的脉动压强最大点均位于洞塞进口附近，在洞塞内逐渐变小，水流突扩后，脉动压强有所增加，后逐渐恢复稳定；面积收缩比越小，脉动压强越大；对同一面积收缩比，顺直洞塞的脉动压强最大，台阶洞塞次之，收缩洞塞最小；壁面脉动压强虽然不完全按正态分布，但其偏离程度不大；洞塞进口附近脉动压强的主频不明显，但5Hz以下的低频明显占优势。 9、采用实验和数值模拟相结合的方法研究了不同体型洞塞的空化特性，得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的初生空化数的表达式。 10、本文提出了不同类型洞塞的适用条件，给出的多级洞塞泄洪洞设计流程可作为洞塞体型设计的的参考。 11、本文针对某大型水电站5号非常泄洪洞改建工程，在1：50单体模型上先后进行了常压和减压试验，结果表明，应用多级收缩洞塞能有效地达到消能目的，洞内也不会发生空化，较好地解决了高水头、大流量导流洞改建过程中的消能问题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

第一章回顾与评述

第二章不同体型洞塞的消能特性

第三章不同体型洞塞的脉动压强特性

第四章不同体型洞塞的空化特性

第五章多级洞塞设计及洞塞泄洪洞模型实验研究

第六章结论与展望

参考文献

作者在读期间发表论文、参加科研项目及获奖情况

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