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冲击式消力墩水力特性研究

王建超  
【摘要】: 建国以来,我国修建了大量的水利工程。随着坝工技术的提高和我国水利水电建设事业的迅速发展,高水头、大流量的水利枢纽工程正在不断增加,而这些水利工程都必须有泄洪消能设施。传统的消能方式有底流消能、挑流消能、戽流消能、面流消能等。这些都是外消能工。挑流消能是高水头泄水建筑物最常用的一种消能方式。已有的挑流消能方式(掺气分流墩挑流消能除外)都是利用改变底板和边墙的几何形状来改变水流过流断面的形态,达到挑流的目地。冲击式挑流消能则是利用水流与墩子的冲击力,迫使水流反弹形成挑流,它比已有的各种挑流方式布置更灵活。至少,它可以为挑流消能增加一种新的选择型式。本论文主要目的就是研究一种新型的挑流消能方式一冲击式挑流消能。 首先,本文对已有的各种冲击波简化公式进行了系统的分析,给出了各简化公式的适用条件;对侧墙有偏转倾斜情况下的冲击波进行理论研究,推导出计算侧墙有斜坡的冲击式挑流消能的计算公式,并对计算公式进行试验验证,结果吻合良好。在理论公式的基础上为了便于工程应用对几种常见偏转角、坡角在不同来流弗劳德数时的波角和水深比进行了计算;并给出了当坡角θ=30度、θ=40度、θ=45度、θ=50度、θ=60度、θ=70度、θ=80度、θ=90度时的Fr_1-α-β-h_2/h_1-Fr_2关系图。 其次,对斜坡冲击波理论与实际水流现象存在一定差异的原因进行了理论分析,其原因是:①实际冲击波的波头都有一定厚度,所以实际的流动图形比计算简图要复杂,而只用质量守恒和动量守恒方程又无法确定波头厚度;②当h_2/h_1较大且波头有一定厚度时,水质点就有不可忽略的竖向分量,忽略这一因素也会带来一定误差;③当α较大、Fr_1较高、转向板长度有限时,波后水流的压强并不符合静水压强分布规律。 再次,在侧墙有偏转时冲击波理论公式的基础上,对波高很小h_2≈h_1时,在忽略摩擦阻力和能量损失情况下,通过积分得出简化公式一,该公式适用于波高不陡的情况;简化公式二是在比能不变假定条件下对微冲击波进行泰勒级数展开,忽略高阶小量得出的。该公式形式简单,但由于忽略了高阶小量,波角的计算与未简化公式相比存在一定误差,但比较适合工程上应用。简化式二适用于一般的人工急流明渠。为了方便应用,对各种偏转角、坡角在不同来流弗劳德数时的波角和水深比进行计算,以方便查阅。


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