不同上下游水位时射流-旋流梯级内消能工的水力特性研究

论文摘要

针对超高水头下导流洞改建为泄洪洞的泄洪消能问题,提出“射流-旋流梯级内消能工”的新型消能方式。该消能方式采用分级消能的思路,一级为射流消能,另一级为水平旋流,可将一个超高水头泄洪消能问题分解为两个中低水头问题,以解决高速水流和消能等问题。本文采用模型试验与数值模拟相结合的方法,对大幅度水位条件下射流-旋流梯级内消能工的基本水力特性,以及不同水位对水力特性及相关水力参数的影响,进行了分析研究,主要结论有:（1）流态与上下游水位关系密切,不同上下游水位变化时,射流段流态可分为自由出流与淹没出流,旋流段流态可分为自由旋转流、过渡流与淹没旋转流。（2）梯级内消能工的流速、压强等水力特性沿程出现明显的分段变化特性,其中在各段的阻塞收缩段出现压强减小,流速增大的变化规律。（3）竖井水位随上游水位呈分段线性增大;梯级内消能工典型断面的壁面压强与上下游水位差呈线性增加,空腔直径呈先增大后减小,射流段孔口流速呈幂函数变化。（4）射流段水流空化数最小值为0.64～1.27,旋流段为0.57～0.94,均大于旋流洞发生空化的初生空化数,表明梯级内消能工在上游水位7D～13.8D,下游水位0.5D～1.5D不会发生空化。（5）梯级内消能工总消能率在71%～81%之间,其中射流段25%～3 8%,旋流段43%～47%,两级消能分配较为合理。（6）数值模拟结果表明,射流段紊动能及耗散率最大值出现在消能段,旋流段出现在起旋器及扩散段,表明在各级的扩散段是能量消刹的主要位置。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 符号说明
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 洞内阻塞（孔板）消能
•     1.2.2 消力井消能
•     1.2.3 竖井旋流消能
•     1.2.4 水平旋流消能
•     1.2.5 射流消能
•   1.3 研究问题的提出
•   1.4 研究主要内容与意义
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 研究目的与意义
• 2 消能工体型设计与模型试验
•   2.1 体型设计
•     2.1.1 射流段体型设计
•     2.1.2 竖井段体型设计
•     2.1.3 旋流洞段体型设计
•     2.1.4 起旋器体型设计
•     2.1.5 通气孔及排气孔设计
•     2.1.6 射流-旋流梯级内消能工总体型
•   2.2 模型试验整体规划与设计
•     2.2.1 模型试验设计
•     2.2.2 模型试验规划布置
•     2.2.3 试验模型制作
•     2.2.4 测点布置
•     2.2.5 试验量测
•     2.2.6 试验工况
• 3 射流-旋流梯级内消能工流态与基本水力特性
•   3.1 流态
•     3.1.1 不同工况条件下流态沿程变化
•     3.1.2 流态分区
•     3.1.3 流态分区临界条件
•   3.2 空腔直径
•     3.2.1 不同上游水位时空腔直径
•     3.2.2 不同下游水位时空腔直径
•   3.3 泄流量
•   3.4 旋流角
•     3.4.1 不同上游水位时旋流角
•     3.4.2 不同下游水位时旋流角
•   3.5 流速
•     3.5.1 射流段流速
•     3.5.2 旋流段流速
•   3.6 压强
•     3.6.1 射流段壁面压强沿程分布规律
•     3.6.2 旋流段壁面压强沿程分布规律
•   3.7 水流空化数
•   3.8 本章小结
• 4 上下游水位对消能工水力特性和相关水力参数的影响
•   4.1 上下游水位对竖井水位变化规律
•     4.1.1 竖井水位与上游水位
•     4.1.2 竖井水位与下游水位的关系
•   4.2 上下游水位变化对空腔直径的影响
•   4.3 上下游水位变化对壁面压强的影响
•     4.3.1 射流孔口壁面压强与相对水位的变化规律
•     4.3.2 起旋器喉口断面壁面压强变化规律
•     4.3.3 旋流段壁面压强与相对上下游水位差
•   4.4 断面流速随上下游水位变化规律
•     4.4.1 射流段流速变化规律
•     4.4.2 旋流洞流速变化规律
•   4.5 消能率与上下游水位变化规律
•     4.5.1 射流段消能率
•     4.5.2 起旋器及旋流洞段消能率
•     4.5.3 梯级内消能工的总消能率
•   4.6 本章小结
• 5 射流-旋流梯级内消能工的数值模拟
•   5.1 数值模拟体型及网格划分的确定
•   5.2 数值模拟方法的选择
•     5.2.1 紊流数学模型方法选择
•     5.2.2 计算方法的选择
•     5.2.3 自由表面处理
•   5.3 边界条件的确定
•     5.3.1 进口条件的确定
•     5.3.2 出口条件的确定
•   5.4 计算模型验证
•   5.5 模拟结果分析
•     5.5.1 流态特征
•     5.5.2 压强
•     5.5.3 流速
•     5.5.4 紊动能及耗散率
•   5.6 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 全文结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 余聪

导师: 张宗孝,李奇龙,王平

关键词: 梯级消能,射流,水力特性,模型试验,数值模拟

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 西安理工大学

基金: 2017年度国家自然科学青年基金“射流-旋流梯级内消能工消能机理与适宜水力条件”(编号:51709226)

分类号: TV135.2

总页数: 88

文件大小: 15287K

下载量: 61