大坡降复合式旋流阻塞内消能泄洪洞的水力特性研究

【摘要】： 高坝建设中,后期导流洞往往具有洞身坡降较大的特点,故其改建的水平旋流内消能泄洪洞也具有大坡降的特点。本文结合国家自然科学基金—雅砻联合基金,以两河口水电站后期导流洞改建为大坡降水平旋流内消能泄洪洞单体模型试验为基础,对大坡降后期导流洞改建的具有大坡降特点的复合式水平旋流内消能泄洪洞各项水力特性进行探讨。 本次试验通过调节阻塞孔口收缩比和起旋器孔口收缩比,共确定5组试验方案。试验时控制上游水位,对各体型大坡降水平旋流段的流态及各项水力特性进行量测,定性的描述出大坡降水平旋流段的壁面压强、空腔直径、水流旋转角以及水平旋流段流速分布随起两孔口收缩比的变化规律,并找出泄流量和两孔口尺寸的关系。本文还对大坡降水平旋流洞末端和导流洞之间的衔接方式进行了初步研究,提出了阻塞渐扩和阻塞突扩方案两种不同的衔接方式,并对两种体型旋流扩散段局部水力特性进及其旋流扩散轨迹行了量测和分析。 研究结果表明,当上游水位一定时,起旋器喉口和阻塞孔口收缩比决定了大坡降水平旋流洞段的流态及各项水力特性。其中,起旋器喉口收缩比决定了大坡降水平旋流洞内的旋流的初始状态,而其末端的阻塞孔口收缩比则控制着大坡降水平旋流洞段的整体流态。调整阻塞的孔口收缩比,水平旋流段各项水力特性均发生明显改变,如壁面压强、水平旋流段空腔直径、水流旋转角、水平旋流段径向流速和环向流速、水层厚度、通风量等。由此可见,大坡降水平旋流段各项水力特性与流态紧密相关,其中一项水力特性改变意味着所有水力特性均将发生改变。 对于阻塞扩散段两种体型而言,该段流态及各项水力特性均有较大差异。其中,阻塞突扩方案水流直接打击导流洞壁,打击点处壁面压强较大,附壁扩散水流掺气浓度也较高；而阻塞渐扩方案扩散段整体壁面压强均较小。而对两者导流洞段附壁抛射轨迹进行对比,两种体型在不同上游水位下通过导流洞顶部、左岸壁面定点的抛射轨迹基本相差不大,但导流洞右岸附壁水流扩散轨迹差异较大；而在上游水位相同时,阻塞渐扩方案体型抛射轨迹与导流洞轴线夹角略小,附壁水流段长度也略长。