不同高度垂跌坎底流消能水力特性研究

作     者：游翔升 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐一民;王荣金

授予年度：2020年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：水力学模型试验 跌坎消力池 临底流速 消能率 脉动压强 

摘      要：现今我国在建和拟建的许多是大流量、高水头和大功率的水利水电工程。在保证具有巨大能量洪水安全下泄的同时,还应做好消能防冲保证下游的安全问题及建设项目对生态环境的影响,为此,越来越多的消能方式应运而生。文章首先对基本消能方式进行比较,虽然底流消能工消能率高、对岸坡冲刷轻微、雾化范围小,但其临底流速、脉动压力大,已成为制约其发展的主要因素。为解决这个问题,出现一种新型消能工——跌坎消力池,该形式不仅可以承担高水头、大单宽流量的消能任务,还能针对高临底流速进行有效的解决。但在目前的研究中对侧墙流速、全断面流速变化、一些水力无量纲参数及脉动压强这些方面涉及不够全面。故为进一步了解跌坎消力池的水力特性,文章采用模型试验、理论分析及控制变量的方法,研究了五级流量下无跌坎消力池及3cm、6cm、9cm跌坎深度消力池的水力特性,并根据消力池内的水面线高度、流速、弗劳德数Fr、消能率、时均压强及脉动压强等数据进行了对比分析研究。主要的研究成果及结论如下:(1)通过控制变量法研究了四种消力池的流态和流速等特性,对比分析了其与单宽流量及跌坎深度的关系,研究得出,当单宽流量一定时,随着坎深的变化水流底部流速下降速率大小关系为:6cm跌坎3cm跌坎9cm跌坎无跌坎,最大临底流速随坎深增加而减小。(2)分析了四种消力池沿程弗劳德数Fr的变化情况,可知沿程弗劳德数Fr分布在进临界式水跃跌坎深度较小的情况下分布最为稳定均匀。又对比消能率后可知,消力池内流态越混乱,消能效率对跌坎深度的变化越敏感,故跌坎消力池在改善水流流态、减小临底流速的同时,也能增加消能效果。(3)分别对四种消力池底板和侧墙的时均压强和脉动压强的幅值特性、概率密度分布以及频谱密度进行了对比分析。随着流量的增加消力池边墙更容易出现负压对工程不利;随着流量的增加底板与侧墙的脉动压强幅值均越大;在单宽流量不变的情况下,四种底流消能工底板和侧墙的脉动压强幅值沿程整体呈现先增大后逐渐减小的趋势;在分析底板脉动压强频谱特性时,四种跌坎形式下优势频率均集中在4Hz～9Hz之间,侧墙中,四种跌坎形式下的优势频率均集中在6Hz～10Hz之间,随着跌坎深度的增加,幅值变化呈现递减趋势,在优势频率内所携带的能量逐级减弱;综合来看当跌坎深度为6cm时,脉动压强对消力池边界作用最小。研究结果可为更好的为跌坎消力池提供有益的理论及试验依据。