齿墩高度对齿墩内流消能工影响的试验研究

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1、齿墩高度对齿墩内流消能工影响的试验研究第一章绪论1.1研究背景及意义随着我国经济社会持续高速的发展，对能源资源的需求也越来越高，但是通过过去三十多年的发展经验可以得知，必须对我国的能源结构进行调整，不能再依靠传统的煤炭资源来作为经济发展的动力，不能再以我们的生活居住环境为代价来换取经济的发展，因为我国现在已有条件来用更加清洁的能源、无污染的可再生能源来替代造成重大污染的传统化石能源。其中清洁的能源主要指的是天然气的使用，由于我国的油气资源极为紧缺需要从别的国家进口，容易受制于人，因此这一方面并不是最好的选

2、择。随着现代科学技术的飞速发展，新兴的无污染的可再生能源进入了人们的视野，如太阳能、风能、核能、光伏发电等，确实这些新兴产业的发展对改善我国的能源结构起到了一定的作用，但我们应该更加优化发展的是传统无污染的可再生能源的水电，它有着其它可再生能源难以比拟的优势，文献[1]中汤鑫华应用了比较分析法从多个角度分析了水电相比于其它可再生能源的优势并说明了开发水电的合理性。文献[2]中Bartle、Alison等人通过对2007年全球范围内的水力发电现状的总结研究表明，欧美等发达国家的水电已开发量占到水电技术可开发

3、的80%以上，只要有足够的开发能力就会优先发展水电，这样不仅优化了本国的能源结构，也使得国民拥有很好的环境。文献[3]中王永干结合我国的政策对开发水电的必要性进行了阐述，同时利用水电的开发来优化我国的能源结构进而推进电力的可持续发展。因此，在我国优先发展水电有着必要性及合理性。.1.2国内外研究现状内流消能工主要是通过人为的改变管道或泄洪洞中水流的过流断面的面积，使得水流的过流面积突然地缩小再突然地扩大，进而造成这一部位的水流出现剧烈的紊动，形成大量的不规则的涡体使得水体之间相互的碰撞、剪切来消耗下泄水体

4、中所蕴含的大量的能量。目前国内外常见的内流消能工主要有三种类型：突扩突缩式、旋流式、消力井。国外学者一般将洞塞看作是厚孔板，在国内的是将它们分开研究的。下面就对内流消能工在国内外的研究现状进行介绍。对内流消能工的研究国外的学者进行的较早，最早的可追溯到Borda用来计算过流面积突然扩大的水流的水头损失，文献[16]中Kalinske在1946年就开始对不同管道直径、不同扩散角度的突变流和渐变流进行了研究，对试验段内管道水流从流速、消能前后的压力及紊动性等方面进行了分析，最终认为水流的能量损失大部分转化成了

5、热能。文献[17]中Durret等人对管道突扩水流进行了更进一步的分析，重点研究了水体的能量耗散过程，并将经过突扩的水流进行了分区：势流核区、混合区、回流区、附着区、恢复区、二次回流区。文献[18]中S.S.Pan等人对泄洪洞内设置孔板内流消能工的情况进行了分析，他们认为内流消能工附近的压力变化和脉动、周围及下游大量漩涡的产生是孔板的消能原理，并指出孔板孔径比、几何尺寸、洞内流量的大小是影响孔板消能的主要因素。文献[19]中Stieglmeier等人通过物理模型实验的方法对有压管道的突变流进行了研究，得到

6、了当水流处于紊流状态时，突扩流下游的附着区长度不会在随着雷诺数的增大而发生变化。同时美国在格兰峡坝、加拿大在麦加坝上首次将内流消能工应用于工程实践当中，为内流消能工从理论走向实践奠定了基础。在文献[20-21]中M.Fossa，Saffa等人对有压管道设置的孔板内流消能工的流态进行了分析，他们主要研究的是孔板厚度对水流流线附着点的影响。第二章齿墩内流消能工的试验装置及试验方案2.1试验装置情况本次试验是在太原理工大学水利科学与工程学院所属的水流试验大厅室内完成的。试验装置主要是由平水箱、试验管路、阀门、电

7、磁流量计、试验段及齿墩段等组成。整个试验过程中水箱内的水由离心泵抽取并通过管道系统输送到平水箱，水箱顶部的溢流堰可以使箱内水位保持恒定。试验过程中流量是通过管路末端的阀门调节控制，此时管路前端的阀门在齿墩段安装时用以控制水流处于关闭状态，在试验过程中处于开启状态，不对水流起控制作用。在试验过程中为了更好地观测水流的流动状态，试验段由有机玻璃管制作，其长度为L=370cm、管径为D=15cm、壁厚为=0.5cm。试验段与齿墩段要用法兰连接，中间要使用橡胶垫片进行衬垫止水，这样做的目的是为了便于更换齿墩段。在

8、距试验段进口143.5cm处布置齿墩内流消能工，其长度L1=13.5cm，这是为保证管中水流在进入齿墩段前能够平稳；同时为使管中水流在通过齿墩段后充分发展，在齿墩段后管道长为213cm，管道末端为有压出流。图2-1为试验装置示意图、图2-2为试验装置实体图。2.2试验方案设计本次试验方案是在分析研究了前两期试验的基础上制定的。由于前期试验中主要分析的是面积收缩比相同与面积收缩比不同、齿墩数目相同与齿墩数目不同这两种情况的组合，