深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力特性及改善措施研究

作     者：苟超 

作者单位：昆明理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐一民

授予年度：2022年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 080103[工学-流体力学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：物理模型试验 平板闸门 小开度 水力特性 改善措施 数值模拟 

摘      要：近些年来,我国西南地区水利水电工程得到蓬勃发展,这些水利工程的共同特点是地形复杂、水头高,常需要设置输水隧洞。在高水头运行条件下,有压隧洞小开度平板闸门后水流容易出现不同程度的水流射顶等不良流态现象,从而可能危及到泄水建筑物的安全运行,因此改善闸后水流流态对于深孔有压隧洞平板闸门小开度运行时尤为重要。本文主要通过物理模型试验、数值模拟与理论分析相结合的方法对深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力特性进行针对性研究,主要研究内容及结论包含以下几个方面:(1)对试验模型的制作、安装及试验工况进行了概述,并借助物理模型试验对深孔有压隧洞平板闸门小开度闸后水力要素进行研究。结果表明:闸门在高水头小开度过流时,过闸水流容易在闸后形成一股挑射水流,闸后底板有负压出现,可能产生空蚀破坏。针对这一现象,本文在对平底闸室研究的基础上提出了两种改善闸后水流流态的措施。措施一:把原闸室底板由平坡(i=0)改为i﹥0的正坡,试验中分别取i=0.02、0.06与0.10三种底坡。措施二:在原闸室平坡底板上局部加设一三角形导流坎,试验共设了坎高△=1.5cm、2.5cm与3.5cm三种体型的导流坎,并将试验结果与原方案进行对比分析,以期获得不同措施对闸后水流流态的改善作用。(2)研究结果表明:措施一与措施二能显著地改善闸后水流流态,减小闸后射流的高度和长度,消除底板负压。但两种措施对过流能力有一定的影响,在水头及闸门相对开度不变的条件下,相对平底闸室,措施一会增大过流能力,且过流能力随闸室底坡的增加而增加,对试验中的三种底坡,过流能力比平坡时分别增加了0.4%、1%和1.6%。在措施二中,过流能力随导流坎坎高的增加而减小,坎高△=1.5～3.5cm时,过流能力比平坡时分别减小了1%～18%。(3)通过物理模型试验对不同试验方案下闸后水流流速、水面线及压强等水力要素进行了观测,并采用单因子变量分析法进行研究。结果表明:不同措施方案下闸后水流流态沿程可划分为“收缩段、扩散段和破碎段三个阶段。闸后水舌外缘最高点和水舌长度随闸室底坡和导流坎坎高的增加而减小。(4)对不同试验方案下闸后底板时均压强和脉动压强进行研究分析。结果表明:在闸室底坡为平坡时,不同工况下闸后底板有负压出现,最大值为-0.3k Pa且压强沿程波动幅度较大。随着闸室底坡和导流坎坎高的增加,闸后时均压强沿程波动幅度逐渐减小且无负压出现,压强沿程分布比较均匀。不同措施下闸后底板脉动压强概率密度出现正偏和负偏的机率大致相等,偏态系数C主要集中在0附近(-0.5～0.5),而峰态系数C值多数大于0,概率密度分布基本符合正态分布。(5)用湍流数学模型对平底闸室和措施二共三种出流方案进行了数值模拟,并用物理模型试验结果对数值模拟结果进行验证。结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合程度较好。二者结果间虽有一定误差,用数值模型模拟小开度平板闸门出流的水力特性是可行的和合理的。研究成果可为同类工程的设计、运行与防护提供参考,具有相应的实用价值。