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多股多层水平淹没射流的消能研究

李艳玲  
【摘要】:我国高水头大流量工程的兴建给我们提出一个新的课题:如何有效地解决泄洪前沿宽度有限、单宽流量较大的水电工程的泄洪消能问题。本文在总结前人研究的基础上,提出了多股多层水平淹没射流消能。多股多层水平淹没射流消能既是传统水跃消能形式向复杂空间三元水跃消能形式的发展,也沿袭了流体力学中关于多股淹没射流研究的一些思想和方法,可以说是一种新型的泄洪消能方式。本文通过理论分析、实验研究和数值模拟三者相结合的方法对其消能机理和流态稳定性做了分析和研究,其主要研究内容和成果有: 1、通过对前人研究成果的分析,指出具有跌坎和突扩的空间三元水跃能够适应不同的下游水位,其流态稳定性和消能效果要优于二元水跃,尤其是解决了底流消能临底流速大,消力池底板易遭受冲刷破坏等比较突出的难题。但对既有突跌又有扩宽的水平淹没射流缺乏系统研究,对其流态稳定性和消能机理的研究国内外均缺乏相关报道。 2、结合工程实际需要,提出了基于空间三元水跃消能机理和挑流多股淹没射流消能机理的多股多层水平淹没射流消能形式。多股多层水平淹没射流是将高流速、大单宽水流沿横向和垂向分成多股、多层射流,进入消力池水体的中部。使高流速带与底板和水面均保持一定的垂向距离,利用在射流轴线周围所 四川大学工学博!:学位论文 形成的强剪切、不同漩滚、剧烈混掺来达到消能目的的新消能型式。 3、从传统水力学的角度出发,推导出单股单层、多股单层和多股多层水平 淹没射流三种消能方式的消能率计算公式,定性分析比较了消能效果的优劣和 影响消能效果的主要因素,发现多股多层水平淹没射流较前两种方法的流态稳 定性和消能效果都好。 4、数值模拟技术能弥补物理模型测试手段的不足,能够得到三元淹没水跃 详细的流场水力特性,如流速及压强分布、紊动能及其耗散率分布等。比较物 理模型实验结果与相应的数学模型计算结果得到的水力参数及其分布,二者吻 合良好,从而证实数值模拟结果基本正确、可信。 5、通过对单层多股和多层多股水平淹没射流两种消能方式在三种工况下的 数值模拟分析发现:多股多层水平淹没射流由于水股间的碰撞大,相互间的剪 切作用加剧,消能效果明显比单层多股好。多股多层水平淹没射流的主流在消 力池中部,而单层多股的主流潜底,前者的流态稳定性明显优于后者。 6、在向家坝水电站消能建筑物的基础上,设计制作了多股多层水平淹没射 流的水力学模型。试验结果表明,水平淹没射流采用表中孔间隔布置,分层出 流以形成淹没射流的型式在技术上是可行的,并具有消能效果显著,流态稳定, 临底流速低等优点。试验研究了中孔泄槽的体型、表中孔高程、跌坎体型等因 素对多层多股水平淹没射流水力特性的影响。 7、试验研究表明,表、中孔的坎高应足够大,才能有效地降低消力池临底 流速。两坎之间的高差应大于中孔水流的主流厚度。以使上下两层射流均能在 横向和竖向充分扩散,有效地利用消力池中部的消能水体,形成三元立体扩散 消能,提高消能效率,从而达到池底流速小,水面波动小的效果。 8、试验研究表明,射入消力池水股的断面形状对于消力池流态随下游水位 而变的流态稳定性有明显影响,水平方向窄而垂直方向厚的水舌适应水位变化 的稳定性较好,能始终保持水平淹没射流状态;宽而扁的水舌适应水位变化的 稳定性较差,容易随下游水位的升高或降低而潜底或上漂。泄槽的体型以等宽 泄槽或微收缩泄槽为宜。 摘要 9、试验研究表明,延长隔墩的主要作用在于分隔表孔与中孔水流,避免相 互干扰,从而改善中孔水流流态,防止发生空蚀破坏,同时可控制表孔水舌进 入消力池的横断面形状,使表孔入池单宽流量增加,因而增加了其竖向稳定性。 关键词:多股多层水平淹没射流紊流数值模拟消能率消能机理 水力特性


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