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下游淹没条件下水平旋流复合式内消能泄洪洞的试验研究

下游淹没条件下水平旋流复合式内消能泄洪洞的试验研究

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作者：杨健西安理工大学

学位级别：硕士

水平旋流内消能工作为新型的消能型式,具有结构简单、布置灵活和消能率高等优点。据试验和原型观测发现：当作用水头超过100m时,旋流洞段会出现流速过大、压强偏小等高速水流问题。针对上述现象,本文结合国家自然科学基金—雅砻联合基... 详细信息

水平旋流内消能工作为新型的消能型式,具有结构简单、布置灵活和消能率高等优点。据试验和原型观测发现：当作用水头超过100m时,旋流洞段会出现流速过大、压强偏小等高速水流问题。针对上述现象,本文结合国家自然科学基金—雅砻联合基金和大渡河猴子岩水电站可行性试验研究,提出了新的设计原理,即旋流洞末端增设阻塞,限制旋流洞段洞内流速,提高旋流洞的壁面压强,采用旋流洞段和旋流扩散段复合式分段消能。结合分段消能思想,提出关键控制断面(起旋器喉口、阻塞孔口)的水力设计的经验公式。本文采用模型试验与理论分析相结合的方法,研究了水平旋流复合式内消能泄洪洞水力学基本问题。研究成果与结论如下： 1、这种体型的泄洪洞,流态可分为自由流、过渡流和有压流三种基本流态;影响因素除了体型尺寸和上下游水位外,还有通气孔直径D0。 2、对泄流量进行研究分析,确定设计公式经验系数ξ。 3、水平旋流洞壁面压强由离心力压pc、环流空腔内气体压强po与静水压ph构成的。时均壁面压强在水平洞的起始段减小然后有所回升,具有转变段的性质,进而沿程平缓减小,至阻塞段迅速下降。确定转变段后平均壁面压强与上游水位关系曲线,为体型设计提供经验参数。旋流扩散段水气充分掺混,流态复杂,壁面压强有“虚负压”产生。 4、壁面脉动压强研究发现,除水平洞低压区和导流洞冲击区的优势频率分布广,峰值频率大,须进行体型优化外,其他部位脉动优势频率在0～5Hz属于低频范畴。 5、水平旋流复合式内消能泄洪洞流速和压力试验研究,分析了沿径向切向流速、轴向流速和压力的分布规律,根据旋流运动特性,假定和推导出流速和压力的数学表达式。 6、在此基础上,研究了水平旋转空腔环流的能动量特性,按照能量、动量的定义,提出并推导了动能、压强势能、动量的数学表达式,为深入了解能动量转换和能量损失规律提供理论依据。

关键词：水平旋流复合式内消能分段消能水力设计空腔环流能动量特性时均与脉动压强

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旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究

旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究

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作者：李特西安理工大学

学位级别：硕士

针对高水头大泄量坝工建设中存在的问题,具有结构简单、布置灵活、导流洞再利用和消能率高等优点的旋流式内消能工成为了水利科学界的主要研究方向。本文结合2015年国家自然科学基金——旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水... 详细信息

针对高水头大泄量坝工建设中存在的问题,具有结构简单、布置灵活、导流洞再利用和消能率高等优点的旋流式内消能工成为了水利科学界的主要研究方向。本文结合2015年国家自然科学基金——旋流阻塞与旋流扩散复合内消能工强剪切两相流水力特性研究,设计出适用于高水头（150m～200m）、大泄量（1500m3/s～2000m3/s）条件下的水平旋流复合式内消能工,并对其基本流态、泄流规律、通气孔通风量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行详细的试验研究分析,研究结果表明:1、在不同上游水位下,可将竖井段流态划分为明流流态、过渡流态和淹没出流流态,将水平旋流洞流态划分为明流流态、过渡流态和稳定流态;在不同下游水位下,可将稳定流态划分为远驱式水跃、临界水跃和淹没式水跃。2、在下游水位小于1.5D时,下游水位对泄流量基本上没有影响,阻塞孔口流量系数μ3基本稳定在0.233;当下游水位大于等于1.5D时,随着下游水位升高,μ3逐渐变小。考虑上下游水位差△H的阻塞孔口流量系数μ随着下游水位的升高而逐渐增大。3、不同孔径通气孔对水平洞段流态影响较小,O.1D孔径通气孔下,改变下游水位运行方式为从高到低时,在导流洞70m～110m范围形成稳定的并由水气两相流组成的“屏障”,这种“屏障”能大幅度消耗下泄水流能量,并改变导流洞中部水流的急缓流流态。4、根据不同孔径通气孔通风量和风速的变化规律,总结出这种体型在高水位大泄量条件下通气孔孔径设计的经验公式为D0=（0.2～0.3）D。5、对于以1/4椭圆连接竖井洞和水平旋流洞,并去掉洞顶设置小于旋流洞半径并用于收缩水流半径的“挑坎”的体型,能有效地消除起旋器出口顶部低压区。6、本文还研究出这种体型下旋流空腔沿程稳定、旋流角沿程逐渐减小及流速径向和沿程变化规律,为继续研究水平旋流复合式内消能工的水力特性奠定了坚实的基础。

关键词：水平旋流复合式内消能水力设计空腔环流水力特性

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旋流内消能工水力特性的试验研究与经验分析

旋流内消能工水力特性的试验研究与经验分析

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作者：李沅昕西安理工大学

学位级别：硕士

本文结合国家自然科学基金——旋流阻塞与旋流扩散内消能工强剪切两相流水力特性研究,并依据相关模型资料,对上下游水位、通气孔孔径变化时,各种水力特性进行量测与分析。同时根据有关理论与假定,提出特征断面关系的理论表达式,并依据... 详细信息

本文结合国家自然科学基金——旋流阻塞与旋流扩散内消能工强剪切两相流水力特性研究,并依据相关模型资料,对上下游水位、通气孔孔径变化时,各种水力特性进行量测与分析。同时根据有关理论与假定,提出特征断面关系的理论表达式,并依据国家自然科学基金以及相关试验研究的资料,将其整理成经验表达式。1、不同工况下均呈现出旋流角沿程减小;空腔直径沿程保持稳定,进入到阻塞段增大;空腔偏心距沿程呈周期性变化的规律,压强表现出在Z/D=2之前上下波动,而后沿程下降的规律。通气孔越大的工况,旋流角整体略有增大。2、基于自由涡流速分布假定、径向动量守恒、动量矩守恒定律以及连续性方程与能量方程的理论,在前人所推导出的相关关系表达的基础上,进一步推导了起旋器孔口断面压强与特征断面压强之间的关系理论表达式(1)和特征断面压强相互之间的关系理论表达式(2)。3、将旋流阻塞与旋流扩散内消能工强剪切气水两相流试验资料应用到上述两种理论表达式中进行了理论值与实测值的比较,选择不冋上下游水位、不同通气孔孔径作为变化条件,其中应用起旋器孔口断面压强与特征断面压强之间的关系理论表达式,特征断面理论值与实测值相差较小;而应用特征断面压强相互之间的关系理论表达式,在阻塞孔口断面理论值与实测值相差较大。4、由于特征断面压强之间的关系表达式不适用于大坡降体型,故将大坡降、自由出流旋流内消能工的模型试验数据应用到起旋器孔口断面压强与特征断面压强之间的关系表达式中,选择了不同上游水位,同一阻塞比(起旋器孔口面积收缩比、阻塞孔口面积收缩比)以及同一上游水位,不同阻塞比做为变化条件。其中不同上游水位条件下三个特征断面理论值与实测值相差较小。而不同阻塞比条件下,理论值与实测值相差较大。

关键词：水平旋流复合式内消能空腔环流水力特性理论推导试验验证

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