灌区无压输水隧洞明满流水力过渡过程研究

作     者：张婧镁 

作者单位：四川大学 

学位级别：硕士

导师姓名：鞠小明;赵显忠

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：输水隧洞 明满流 水力瞬变 数值模拟 窄缝法 城门洞隧洞 模型实验研究 

摘      要：无压输水隧洞中由于节制闸启闭而引起的水力瞬变会对工程设施产生影响,尤其当输水隧洞中发生明满交替流时,洞内通常会发生压力剧增,对工程安全运行造成威胁。本文基于明渠瞬变流基本方程和明满流Priessmann窄缝法原理,采用特征线法与显式差分扩散法相结合的方式,针对无压输水隧洞中的水力过渡过程及其水力特性开展了数值模拟计算和试验研究工作,论文获得的主要成果如下:(1)计算了向家坝灌区北总干渠无压输水隧洞两个洞段发生明满交替水流时可能产生的最大压力值;当洞段下游需要关闭节制闸时,闸门的关闭时间对上游洞内最大水深值的影响很小,但对最大水深发生时刻的影响较为显著,即节制闸关闭时间越长,最大水深发生时刻越晚;下游泄水闸的泄水流量不应小于30m/s。计算结果可为工程设计和安全运行提供技术支撑。(2)基于工程背景资料,通过对梯形、城门洞型、圆形三种断面型式输水隧洞的明满流水力过渡过程分析表明,综合计算结果与实际工程应用,将洞内可能发生的最大水深或压力作为隧洞断面选择依据时,建议选择城门洞型隧洞。(3)研究了发生明满交替流时,两种隧洞型式的断面参数对于洞内最大压力的影响。对于城门洞型无压输水隧洞,洞内是否发生明满流与城门洞结构参数密切相关,其中底宽和顶拱半径两个参数对洞内压力突升影响显著;圆形隧洞的半径值是影响明满流发生和压力值骤升的关键因素。在实际工程设计时可以通过不同断面参数的明满流水力过渡过程计算来确定最优的输水隧洞断面尺寸。(4)开展了城门洞型隧洞明满流模型实验研究工作,通过实测压力曲线与数模计算结果对比,验证了明渠水力瞬变计算数学模型的正确性;探讨了明满流波速及窄缝法计算中窄缝宽度的取值问题,建议取窄缝宽为直径的圆面积占过水断面面积的0.3%～0.5%作为Priessmann窄缝法中的窄缝取值。