低弗氏掺气水流的阻力效应研究.pdf

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1、第35卷第1期华北水利水电大学学报(自然科学版)Vo1．35No．12014年2月JournalofNorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower(NaturalScienceEdition)Feb．2014DOI：10．3969／j．issn．1002—5634．2014．O1．003低弗氏掺气水流的阻力效应研究王二平，田军林，朱瑞平(华北水利水电大学，河南郑州450045)摘要：根据某水电站尾水洞模型试验观测到的水流现象与实测资料，分析了低弗氏水流在强迫掺气情况下，掺气浓度

2、大小对水流沿程水面线、断面流速分布及沿程总水头线等水力要素的影响．分析表明：低弗氏水流掺气后存在减阻增速效应；水流掺气后其密度及黏性降低是产生减阻增速效应的主要原因，增加水流的掺气浓度，可相应提高减阻增速效应，减少能量损失．关键词：低弗氏水流；强迫掺气；减阻增速；两相流中图分类号：TV135文献标识码：A文章编号：1002—5634(2014)01—0011—06对于水流掺气现象及掺气水流的基本特性，前道．尾水支洞为矩形断面，宽、高均为5．7m，长人做了大量的研究并取得一系列研究成果．对掺气62．0nl，底板高程602．6m．尾水主洞

3、为马蹄形断水流最早进行原型观测的是美国人霍尔，最早在室面，洞径11m，洞长4931"13，纵坡i=0．0013．由于机内进行试验的是奥地利人依伦伯格⋯．我国林秉南组安装高程与下游河道尾水位的高差不大，为了保和吴持恭等于20世纪50年代对掺气水流进行了观证电站出力，设计上要求机组安装高程到机坑水面测研究-z。．前人对掺气水流的研究成果主要是针的净空高度不小于3．2m．当下游河道汛期出现高对高速水流的自掺气与强迫掺气．由于掺气水流的水位，净空高度不满足要求时，对机坑水面施加高压复杂性，目前对于其阻力效应的研究仍存在两种不气体使之下落以增加

4、净空高度，保证机组正常发电．同的观点：一种认为掺气能减少阻力，降低水流能为此，在各尾水支洞末端洞顶设一挡气鼻坎，以保证耗；另一种认为掺气增加紊动阻力，加大水流压气运行封闭条件．为了检验当下游河道通过不同能耗．流量(尾水洞对应于不同的尾水位)时机坑及尾水由于低弗氏水流强迫掺气的场合相对较少，对洞内净空高度是否满足允许值，同时提供机坑达到于其流动特性与阻力特性尚鲜有研究．笔者在某典压气运行条件时下游河道通过的流量值，需要进行型水电站尾水洞的水力学模型试验中发现了掺人大模型试验．量气体的低弗氏水流存在减阻增速效应，因而选择1．2模型布置两个

5、掺气浓度不同但其他条件相同的尾水洞作为研冲击式水轮机泄流呈喷射状进入机坑并大量掺究对象，采用对比试验和理论分析相结合的方法对气，但由于其出流条件极其复杂，加之模型试验存在此进行研究．缩尺效应，难以做到完全相似．为了量化分析水流掺气量不同可能对尾水洞过流能力产生的影响，项目1尾水洞概况与水力学模型布置组对水轮机泄流按两种方式进行概化模拟：水流经1．1尾水洞工程概况压力水箱，通过模拟水轮机转轮的导叶喷射出流某典型水电站安装8台冲击式水轮机组，总装(水流掺气量相对较大)；不设导叶，水流通过压力机容量1500MW，机组安装高程为611．1In

6、．水轮水箱底部泄流孔口自由泄流(水流掺气量相对较机泄流由8条尾水支洞汇入尾水主洞后泄入下游河小)．通过该两种出流方式(尾水洞进流方式)的对收稿日期：2013—12—10作者简介：5E~-平(1960一)，男，河南郑州人，教授，主要从事水力学及河流动力学方面的研究l2华北水利水电大学学报(自然科学版)比试验，分析水流掺气量大小与其阻力效应的关系．问题的需要，将单体尾水支洞长度延长15m，并在整个尾水洞工程的模型试验分两步进行：先进其末端设置溢流堰进行尾水位控制；沿程布设了6行单条支洞(不含主洞)模型的预备试验，重点研究个水位观测断面，通

7、过测压管量测水位；模型流量采不同进流方式对尾水支洞过流能力的影响，并用以用电磁流量计控制，流速使用声学多普勒流速仪指导整体模型各支洞机坑进口模型的制作；再进行(ADCP)量测，水体的掺气浓度采用CQY一Ⅲ针式整体模型试验，研究诸项任务．掺气仪量测．尾水洞模型布置及其进流方式模拟如为降低缩尺效应对试验结果的影响，制作尺度图1—2所示．相对较大的模型，几何比尺取为1：20．根据研究图1尾水洞模型布置图(单位：llt1)导叶图2尾水洞两种不同进流方式模拟图(单位：m)减少，水面波动减弱；至0+035断面附近掺气现象2试验结果及分析基本消失，

8、水流渐趋稳定．同时泄流掺气量大小还与根据机组满负荷发电流量34．8m／s，模型流量机坑水位有关，当尾水位抬高，机坑水位上升时，水为0．0195m／s，先后按照机坑进口有导叶与无导流掺气量有所减少．水流中气泡消失的位置随下