竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟.pdf

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1、第42卷第11期人民长江Vo1．42．No．112011年6月YangtzeRiverJune，2011文章编号：1001—4179(2011)11—0020—03竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟钱小燕，邓军，张叶林，陈华勇(四川I大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川I成都610065)摘要：已有竖井旋流的研究成果表明，涡室进口处水流的起旋对整个涡室流态的影响很大，如何使水流在进入涡室段时能稳定起旋，并贴壁形成稳定空腔，是决定整个竖井旋流消能效果的一个关键性因素。通过试验与数值模拟相结合的方法，研究了涡室进口处整流挑坎的体型对涡室流态

2、的影响，提出了一种新的整流挑坎——楔形挑坎。试验表明，这种挑坎形式与传统圆弧挑坎相比能更好地引导涡室进口处水流的起旋，改善涡室内水流流态。对类似工程设计具有重要的参考价值。关键词：竖井旋流；整流挑坎；涡室流态；涡室空腔中图法分类号：TV135文献标志码：A竖井旋流消能工是利用水流旋转并掺人大量气体1不同整流小挑坎下涡室流态特性试验从而使水流紊动强度加大而自身消能的一种消能工。它由于布置灵活、对地形条件适应较强和消能效果较多诺泄洪洞试验模型由无压进口段、上平段、涡好而得到推广应用。在竖井旋流中水流经进水口、引室、涡井、下平段及出口消力池组成。试验研究了泄洪

3、水道进入涡室，然后开始旋转，通过锥形段进入竖井。洞涡室进口在不同整流挑坎的运行情况。试验模型比在竖井段，水流在重力作用下贴井壁做螺旋运动，在竖尺为1：30。井中心形成有利于保持流态稳定的空腔，由于水流的在竖井旋流泄洪洞中，涡室段采用切入式进口，水强烈紊动而消能⋯。其中涡室是保证竖井内水流贴流从引水道进人涡室后，在离心力的作用下水流起旋壁和足够水流紊动能的关键部位，涡室段包括起旋室贴壁，同时在重力作用下水流绕壁面螺旋而下。为了和渐变锥形段。水流经起旋室后形成螺旋流，并贴壁保证从引水道出来的水流在进入涡室时形成稳定的螺顺流进入竖井段。因此起旋室内的流态好坏直

4、接决定旋流，水流的环向流速要比较稳定；同时在进口处整个竖井旋流消能工的消能效果。在大部分竖井旋流要避免回旋回来的水流与来流发生碰撞从而阻挡来试验中，水流从引水道进入涡室的连接处如何实现水流，致使水位壅高导致水流倒流回引水道内，产生回流现象。因此，一般在进口处设置挑坎，以引导水流顺利流的起旋，使得水流贴壁、空腔稳定，成为竖井旋流工程试验研究的一个关键问题。。在以往的工程中往进入涡室并稳定起旋。本文通过试验研究了圆弧形和楔形两种挑坎布置的水流特性，综合提出比较实用的往采用在涡室进口处设置挑坎来引导水流。本文在前挑坎型式。人研究的基础上，结合多诺竖井旋流泄洪洞

5、工程，重点对涡室进口整流挑坎的体形进行研究，以实现水流起1．1涡室进口处增设圆弧形整流小挑坎旋、贴壁进入竖井，避免水流直接跌入竖井底部的不利圆弧形挑坎是目前大多类似竖井旋流工程采用的流态，并用数值模拟辅助加以研究。挑坎型式，结构形式见图1(a)，(b)。圆弧挑坎的设收稿日期：201l—Ol一25基金项目：国家自然科学基金项目(50709020)作者简介：钱小燕，女，硕士研究生，主要从事水工水力学方面的研究。E—mail：xiaoyan47391@126．COrn通讯作者：邓军，男，教授，博士。E—mail：djhao2002@SCU．edu．cn第11期

6、钱小燕，等：竖井旋流泄洪洞涡室整流挑坎试验与数值模拟21计思路是，回流在反弧段的引导下能够与A区域来流流的起旋，形成螺旋流。回旋水流将以一定夹角旋转一起沿壁面螺旋运动。在涡室内增设圆弧小挑坎后，到进El右侧的方向，这使得回旋水流与引水道来流成虽然挑坎上端能对回旋水流起到很好的导向作用，大锐角相接，而不是以直角冲击。锐角相接既可以使来大减少对进口水流的挤压，不会产生水流倒流回引水流在回旋水流的带动下向右旋转，又不会直接撞击来道的现象，但挑坎下端占用了涡室内的空间，很可能阻流出现引水道出口处的回流现象。其次，楔形挑坎下挡引水道下部水流的旋转，使其直接跌落，流

7、态变差。端收缩到一点不会占用涡室空间，不会挤压从引水道其流态图见图1(e)，(d)。而来的下层水流。引水道下层水流在上层回流的带动下向右侧偏转起旋，不会出现下部水流直接跌落的现象。涡室及竖井通气空腔稳定，贯通情况良好，不影响泄洪，流态情况好。在试验中，小挑坎的结构尺寸不断调整，在本文中还没有比较系统的公式或规律来确定挑坎的尺寸，这方面还有待于完善，但这种新型挑坎可以在类似的竖井旋流中采用并研究，特别是小流量情a)立面b)平面况下效果会更好。一虽(c)流态1图1圆弧挑坎结构和在正常水位运行的流态(单位：m)(a)竖井平面(b)楔形平面由图1可以看出，增设圆

8、弧形整流小挑坎后，在小流量情况下涡室内流态紊乱，无明显空腔的水流现象。图中A区域