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下游淹没条件下水平旋流复合式内消能泄洪洞的试验研究

杨健  
【摘要】: 水平旋流内消能工作为新型的消能型式,具有结构简单、布置灵活和消能率高等优点。据试验和原型观测发现:当作用水头超过100m时,旋流洞段会出现流速过大、压强偏小等高速水流问题。 针对上述现象,本文结合国家自然科学基金—雅砻联合基金和大渡河猴子岩水电站可行性试验研究,提出了新的设计原理,即旋流洞末端增设阻塞,限制旋流洞段洞内流速,提高旋流洞的壁面压强,采用旋流洞段和旋流扩散段复合式分段消能。结合分段消能思想,提出关键控制断面(起旋器喉口、阻塞孔口)的水力设计的经验公式。 本文采用模型试验与理论分析相结合的方法,研究了水平旋流复合式内消能泄洪洞水力学基本问题。研究成果与结论如下: 1、这种体型的泄洪洞,流态可分为自由流、过渡流和有压流三种基本流态;影响因素除了体型尺寸和上下游水位外,还有通气孔直径D0。 2、对泄流量进行研究分析,确定设计公式经验系数ξ。 3、水平旋流洞壁面压强由离心力压pc、环流空腔内气体压强po与静水压ph构成的。时均壁面压强在水平洞的起始段减小然后有所回升,具有转变段的性质,进而沿程平缓减小,至阻塞段迅速下降。确定转变段后平均壁面压强与上游水位关系曲线,为体型设计提供经验参数。旋流扩散段水气充分掺混,流态复杂,壁面压强有“虚负压”产生。 4、壁面脉动压强研究发现,除水平洞低压区和导流洞冲击区的优势频率分布广,峰值频率大,须进行体型优化外,其他部位脉动优势频率在0~5Hz属于低频范畴。 5、水平旋流复合式内消能泄洪洞流速和压力试验研究,分析了沿径向切向流速、轴向流速和压力的分布规律,根据旋流运动特性,假定和推导出流速和压力的数学表达式。 6、在此基础上,研究了水平旋转空腔环流的能动量特性,按照能量、动量的定义,提出并推导了动能、压强势能、动量的数学表达式,为深入了解能动量转换和能量损失规律提供理论依据。


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