洞塞式內流消能工的水力特性研究.pdf

1、洞塞式消能工是利用水流的突縮突擴作用進行消能的消能工，本文在總結前人研究的基礎上，應用試驗、數(shù)值模擬和理論分析手段研究了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能機理、空化特性以及多級洞塞泄洪洞的設計流程，并探索把洞塞式消能工應用到大型水電工程的可能性，得出的結論包括： 1、通過實驗及數(shù)值模擬研究，得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的洞塞內及洞塞后的壓強恢復長度，得出了洞塞出口面積收縮比與壓強恢復長度的關系。

2、 2、得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的水頭損失系數(shù)的表達式。研究表明，雷諾數(shù)對水頭損失系數(shù)幾乎無影響。 3、研究表明，臺階洞塞最佳的輔、主洞塞直徑之比應為1.1，輔助洞塞的長度應為洞塞前管道直徑的0.4倍。 4、論文認為，理想的收縮式洞塞體型應使洞塞進、出口處的壓強相等，數(shù)值計算解雇得出了收縮洞塞最佳的進、出口直徑比與洞塞出口面積收縮比的關系以及收縮洞塞長度與水頭損失的關系。 5、應用激光流速儀對三種體型洞塞

3、的時均流速和脈動流速進行了測量，結果表明：在洞塞內部，時均流速在洞塞進口0.133倍管道直徑后分布均勻，洞塞出口后的主流再附著點位于洞塞出口后的1～2倍管道直徑處，洞塞出口3倍管道直徑后的斷面流速分布均勻；總體而言，在回流區(qū)以外，徑向流速均較小，約為軸向流速的10％。三種體型洞塞的脈動流速的大小為時均流速的10～30％，在洞塞段及洞塞后擴散段較大，最大值位于時均流速梯度較大的剪切層附近，對同一斷面而言，軸線上的脈動流速小于兩側的脈動流速

4、。 6、應用動量積分方程建立了洞塞的水頭損失系數(shù)與洞塞面積收縮比的理論公式，該公式與試驗值吻合良好。 7、研究表明，洞塞突縮消能的原因有三：一是由于洞塞進口前形成較大的流速梯度，流層之間的強剪切作用構成能量耗散，二是洞塞進口角隅存在一逆時針漩渦，三是洞塞進口處的高流速帶以類似于射流的形式沖擊環(huán)境流體，與環(huán)境流體摩擦、混摻，產生能量耗散；洞塞突擴消能的原因是由于突擴水流形成強紊動、強剪切射流以及產生大尺度漩渦，從而在射流內

5、部、射流邊界層及漩渦區(qū)產生紊動混摻作用。 8、對洞塞脈動壓強特性的分析表明：順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的脈動壓強最大點均位于洞塞進口附近，在洞塞內逐漸變小，水流突擴后，脈動壓強有所增加，后逐漸恢復穩(wěn)定；面積收縮比越小，脈動壓強越大；對同一面積收縮比，順直洞塞的脈動壓強最大，臺階洞塞次之，收縮洞塞最?。槐诿婷}動壓強雖然不完全按正態(tài)分布，但其偏離程度不大；洞塞進口附近脈動壓強的主頻不明顯，但5Hz以下的低頻明顯占優(yōu)勢。 9

6、、采用實驗和數(shù)值模擬相結合的方法研究了不同體型洞塞的空化特性，得出了順直洞塞、臺階洞塞和收縮洞塞的初生空化數(shù)的表達式。 10、本文提出了不同類型洞塞的適用條件，給出的多級洞塞泄洪洞設計流程可作為洞塞體型設計的的參考。 11、本文針對某大型水電站5號非常泄洪洞改建工程，在1：50單體模型上先后進行了常壓和減壓試驗，結果表明，應用多級收縮洞塞能有效地達到消能目的，洞內也不會發(fā)生空化，較好地解決了高水頭、大流量導流洞改建過程中