下游水位对水平旋转内消能泄洪洞水力特性的影响

《下游水位对水平旋转内消能泄洪洞水力特性的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、水利学报2005年10月SHUILIXUEBAO第36卷第10期文章编号:0559-9350(2005)10-1213-06下游水位对水平旋转内消能泄洪洞水力特性的影响牛争鸣，贺立强，汪振(西安理工大学水利水电学院，陕西西安710048)摘要:通过试验研究与分析，发现下游水位对水平旋转内消能泄洪洞的各种水力特性均有较大的影响，且均与环流内空腔压强p0的变化有关。随下游水位的变化，洞内可能出现不同的流态区。在一定的下游水位范围内，泄流量具有最大值。通气孔的通风是由于两种完全不同的机理所致：在相对下游水位等于1左右，通风量变化急剧且具有最大值。空腔直径随下游水位的降低而增大，并趋向于常数

2、，随下游水位上升而减小并趋向于零。在较高的上游水位时，壁面压强随下游水位的上升呈幂指数增大或线性增大；在相对下游水位等于1左右，不同的上游水位时消能率几乎为常数，但在相对下游水位大于1后，下游水位的增大会导致消能率较大的衰减。关键词:内消能泄洪洞；水平旋转；水力特性；下游水位影响中图分类号:TU135.2文献标识码:A在高坝建设中，因其多建在高山峡谷中，具有水头高、泄量大、消能空间狭小和泄水建筑物难以布置等特点，往往需要大尺度导流洞。另外常规的挑流消能方案常引起一系列高速水流问题如空蚀、雾化和岸坡冲刷等。为了解决这些问题和探讨将大尺度导流洞改建为永久式泄洪洞，以缩短工期和降低工程造价

3、，从20世纪60年代起国外、90年代后国内就开始了旋流式内消能工的研究工作。因我国高坝建设的需要，旋流式内消能泄洪洞在具体工程的研究、设计方面，我国已处领先水平。但因这些工作的工程针[1]对性太强，因此这些研究成果还缺少一般性，也需进一步理论化与系统化。关于水平旋流式内消能泄洪洞的研究，从公开发表的论文所见，国外只有前苏联与印度，国内也为数不多，本文作者已有一些研[2～6]究成果。下游水位对旋流式内消能泄洪洞的水力特性有非常明显的影响，但只有中国水利水电科学[7]研究院的孙双科等人结合小湾水电站导流洞改建为竖井旋流式泄洪洞进行过研究与探讨，对水平旋流内消能泄洪洞尚无专门的研究。本文通

4、过对图1所示典型的水平旋转内消能泄洪洞的水力特性的试验观测，研究与分析了下游水位对水力特性的影响。1试验模型体型及尺寸本文试验所采用的试验模型体型及尺寸如图1所示。试验模型的各部分尺寸均按其与洞径的比值确定。其中模型洞径D=16cm，相对洞长为L/D=31.5，相对通气孔直径为D0/D=0.0625，起旋器收缩断面的面积收缩比A0/A=0.448。模型试验工况为相对上游水位H/D=6～14，相对下游水位h/d=0.5～4，共25种水位的组合。壁面压强pw采用测压管量测，通风量Φ采用风速仪量测，环流空腔直径d0采用自制探针由水平洞上下左右四个方向的量测值平均确定，泄流量Q由90°的三角

5、堰量测。各种物理量量测的相对误差均在3%～5%之内。试验在西安理工大学高速水流实验室内完成。试验模型按重力相似设计，试验结果可按一定的几何比尺推广到工程设计中去，本文分析时采用几何比尺1:100将模型结果换算成原型值。收稿日期:2005-07-26作者简介：牛争鸣(1957-)，陕西佳县人，博士，教授，主要从事高速水流和水工水力学的研究。E-mail:niuzm@xaut.edu.cn1水利学报2005年10月SHUILIXUEBAO第36卷第10期图1试验模型体型及尺寸2下游水位影响的综合分析如图2所示，水流在竖井末端的起旋器出口的切线方向形成环流，环流中心为空腔，空腔直径为d0，

6、空腔内的气体压强为p0，壁面压强为pw，通气孔的通气量为Φ，合成流速与洞轴线的夹角为α。在起旋器、通风孔的几何尺寸与洞长L不变、上游水位H不变的情况下，下游水位h是决定流态变化的因素。随着下游水深的增大，洞内空腔环流从空腔直径沿程基本不变，转变为沿程减小；下游水深再增大时，空腔直径沿程明显减小并形成羽状气泡流，直至空腔消失，通风孔被淹没。图2下游水位影响的综合分析示意由相关断面的能量方程及径向动量方程分别可得Q=µA2g(H+h)(1)0vφ=µA2gh(2)φφvpw=p0+pc(3)d/D=1/1+C(p−p)(4)0w0其中：2水利学报2005年10月SHUILIXUEBAO第

7、36卷第10期R2ppVa0θh=−,p=ρdr(5)vc∫γγrr0式中：pa为大气压强；pc为离心力压强；μ为泄洪洞流量系数；μφ为通气孔通气量系数；A0与AΦ分别为起旋器出口的过流面积与通风孔的过流面积；r0和R分别为空腔半径和水平洞的半径；V0为切向流速，可假定[4]其符合势涡分布；C为与该流速分布有关的参数。从上面的分析表达式可见，水平旋转内消能泄洪洞的水力特性均直接或间接的与空腔环流中心的压强p0有关。对于泄流量，其影响表现为一个附加的作用水头