水平旋流阻塞泄洪洞气水两相流特性

作     者：张鹏君 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宗孝;李奇龙

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：水平旋流 数值模拟 脉动压强 空化特性 气水两相流 

摘      要：作用水头在200m量级时,若不有效消能,洞内及出口水流流速会超过40m/s,高速水流可能引发下游河道严重冲刷、雾化或洞内空蚀空化等问题。较高作用水头时,水平旋流阻塞复合内消能方式消能效果好,且能更好地过渡上下游水流。水平旋流阻塞复合消能工(简称“旋流阻塞消能工)内水流为气水两相流,水力特性复杂,水流脉动和空化问题未知。为研究上述问题,本文采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对旋流阻塞消能工气水两相流流态、泄流量、壁面压强、脉动压强、空腔直径、旋流角、通气量等水力特性,以及脉动特性和水流空化特性进行研究,结果表明:(1)试验观测 188m作用水头时,竖并内初始形成有压流,比此水位低时为无压流;水流在起旋器与水平旋流洞内为空腔旋流,在阻塞扩散段与退水洞前段为气水混掺较均匀的气水两相流。水平旋流洞壁面压强沿程缓慢下降,阻塞段下降较快,阻塞扩散段存在负压。洞内壁面压强随作用水头降低而减小,下游淹没出流略大于自由出流。空腔直径沿程先逐渐减小,到阻塞段迅速增大,空腔直径随作用水头升高而减小,下游水位影响不大。旋流角沿程逐渐减小,但有小幅波动,旋流洞内旋流角约在60°～80°,自由出流时旋流角受作用水头影响不大,淹没出流时作用水头高于200m时旋流角明显变小至50°～60°,低于该作用水头时旋流角受作用水头变化不大。通气量随作用水头升高而增大;淹没出流时下游排气量随作用水头的增大而增大,排气量接近但略小于通气量。(2)数值模拟结果与模型试验结果基本吻合。空腔旋流断面压强呈现同心圆分布规律,压强、空腔直径和旋流角沿程变化与模型试验一致。空腔旋流横断面流速沿径向从空腔至壁面先增大后减小,切向流速沿径向呈中心对称分布,轴向流速则呈轴对称分布;流速沿程变化时最大值在阻塞段;流速随作用水头升高时增大,下游自由出流时则略大于淹没出流。结合模型试验,计算水流空化数沿旋流洞逐渐减小,起旋器和水平洞段大于1.0,不会发生空化,收缩段空化数急剧减小,阻塞扩散段空化数小于0.3,其是否发生空化需结合气水两相流特性分析。紊动能沿断面近似同心圆分布,水流层内紊动能靠近空腔气水界面处较大,在水流层内较小,表明横断面上水流能量损失主要集中于近气水界面。(3)脉动压强经时域分析,沿程变化规律与壁面压强一致,阻塞段、扩散段内脉动压强出现负值,起旋器段与阻塞扩散段均方差较大,脉动压强最大值和最小值偏离脉动压强均值较大。经频域分析发现,脉动压强主频除阻塞扩散段末端200m水位时为39.88Hz,206m水位时为46.99Hz,其余都在0.2Hz左右,属于低频脉动,不会对建筑物造成影响。(4)气水两相流发生于阻塞段到退水洞段,流态变化、压强、流速分布与模型试验和整体数值模拟结果一致。漩涡在阻塞段内开始形成,到扩散段中部较大,延伸到退水洞前端部分区域,随后在退水洞内形成小漩涡。气水混掺的剧烈程度直接影响了紊动能的大小,且紊动能越大,能量耗散的越快。整体掺气率大于10%,其中阻塞段以及扩散段内掺气率在20%附近,并且掺气较为均匀,所以阻塞收缩段、阻塞段、扩散段,及退水洞前端部分不会发生空化现象,不会对建筑物造成破坏。