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不同进口体型旋流式竖井溢洪道水力特性试验研究

李镇旭  
【摘要】:我国水利水电工程蓬勃发展,建设的一大批大型、特大型水电站多处于深山峡谷地区,河谷狭窄,泄洪落差大。为了保证水利工程能够高效稳定的运行,要充分考虑安全泄水问题,因此对泄水建筑物消能要求较高。旋流式竖井溢洪道作为一种新型的内消能工,具有良好的水力特性,高消能率、布置灵活、适应地形、减少开挖等优点。旋流竖井溢洪道的体型结构对水流流态、消能效果,边壁的安全等都直接造成影响。本文通过水工模型试验,采用控制变量法,研究引水道与涡室不同连接体型、消力井井深变化以及流量变化对涡室和消力井压强特性、水流流态、流速分布、消能率等影响规律进行分析,主要研究内容及结果如下:分析引水道及涡室在不同流量以及不同角度折流坎下水流流态,水面线变化。涡室进口处折流坎角度的大小与流量相互影响,将涡室中可能出现的水流流态划分为四种情况,射流型、混合型、螺旋流、淹没型。竖井段中水流由上至下可分为三个区,分别是空腔区、水垫区和水跃区,随着流量的增大,消力井底部纯水深度逐渐减小,在大流量工况下,整个消力井为水气两相流,呈乳白色泡沫状。椭圆弧段水流流速随折流坎角度的增大而减小,水流内部不同层的流速之间产生剪切作用,折流坎角度越大,剪切效果越明显。对椭圆弧段、涡室边壁及消力井底板压强特性从时均压强和脉动压强两方面进行分析。涡室及竖井内不存在负压,椭圆弧段及涡室的时均压强随测点位置的高程的升高而降低;在同一测点处,时均压强随流量增大而增大;消力井底板在流量较小的工况下,消力井底板时均压强各点较平稳,波动小,消力井的底部为纯水状态,此时的压强都趋于静水压强,随井深的增大,时均压强整体有增大趋势,消力井底板边缘附近时均压强大于中心压强,随着消能井井深的进一步增加对消力井底板压强影响减小。椭圆弧段及涡室边壁脉动压强方差σ~2随折流坎角度的增大而增大。消力井底板脉动压强随消力井井深的增加,脉动压强频谱峰值频率先升高后降低,主频逐渐突出,脉动能量稍有增强的趋势,在35cm井深较大时,靠近消能井底板的漩涡尺度较大,消能井内水流特性趋于均匀,压强脉动的能量主要集中在低频区。分析了引水道与涡室不同连接体型、不同消力井深、下泄流量对旋流竖井溢洪道消能率的影响。通过计算得出随流量的增大不同连接体型的消能率,变化趋势基本一致,先逐渐减小,在末端略增大;同一流量下折流坎角度的增大,消能率逐渐增大;随井深增大消能率先增大然后趋于平稳,说明井深增大会增大消能水体提高消能率,但增大到一定程度后,有效的消能水体不再增加,消能率增大幅度放缓,慢慢趋于平稳。所以消力井不是越深越好,应采用合理的井深。


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