浅谈国内旋流式内消能泄洪洞工程方案的研究

论述了竖井旋流型与水平旋流型内消能工在体型优化中的重点与方向,结合黄河公伯峡水电站右岸旋流内消能泄洪洞的方案的论证、试验研究与体型优化,进行了连接部位泄流能力的协调与匹配、通气孔的设计、消能率的构成、起旋器出口与旋流洞连接部位后的空化空蚀、洞子的衬砌标准与范围、下游水深的影响等问题的讨论。     

旋流式内消能工研究综述

对国内外的旋流式内消能工研究作了简要介绍并进行了评述。认为旋流式内消能工是解决高坝水力设计中高水头、大流量条件下泄水建筑物的安全和充分消能问题的新思维、新途径。旋流式内消能工是利用水流在泄水道中作大范围的旋转运动把下泄水流能量在泄水道内部进行大量消煞，使出流流速大大降低，从而保证建筑物的安全和下游良好的衔接条件。它具有结构简单、布置灵活、消能率高等优点，应用该种新型内消能工可将高水头水利枢纽工程中施工导流洞改建为永久泄洪洞。     

溢流坝反弧段动量积分方程的数值解及有关水力特性的试验研究

本文推导出适应于溢流坝反弧段的紊流边界层的连续性方程和动量积分方程，并在有关水力特性的试验研究的基础上进行了数值解。计算结果与试验结果基本一致。本文根据试验结果提出，受水流流线沿程的调整，反弧段的离心力压强系数具有过渡段的性质，离心力对势流流速的影响是不均衡的。本文还提出反弧段紊流边界层厚度的定义方法，并发现按本文定义的方法，边界层厚度在相对弧长0．25时达到最大。     

水平旋转内消能泄水道环流空腔直径的变化规律

本文从竖井进流水平旋转内消能汇水道影响环流空腔变化的因素出发，根据试验资料对其环流空腔直径的变化规律进行了系统地分析与研究，研究结果表明：这种泄水道环流空腔直径d0的变化规律有非常明确的分区特性，不同的分区对环流空腔直径d0影响因素是不同的。本文在该分析的基础上结合试验研究成果给出了d0的无因次综合变量函数的一般表达式、具体函数表达式和计算的经验公式。这些试验及分析成果对该种泄水道的水力特性的理论研究、分析计算和设计有较大的参考价值。     

通气对水平旋流内消能泄洪洞水力特性的影响

 通过模型试验,研究了水平旋流条件下通气对水力特性的影响,结果表明,通气对流态、泄流量、壁面压强和空腔内的气体压强均有较显著的影响。通气时,环流空腔的直径增大,流动稳定;随通气孔直径的增大,泄流量和通风量均先增大然后减小,具有最大值,且环流空腔内的负压值迅速减小并趋于零;不通气或通气孔的直径较小时,负压值较大,壁面压强也较大,这与通常的认识不同;随下游水位的升高,在下游洞口临近淹没时,通气量达到最大。     

城市生态公园雨洪利用原理及其应用

城市生态公园营建中存在水资源短缺问题，还可能造成严重的城市水土流失。初步分析了城市生态公园雨洪利用的蓄滞机理及其滞时反应，建立了单一城市生态公园系统的进出流过程图。通过分析宝鸡市的降雨特性，指出了宝鸡市可开展雨洪利用的可能性，并利用本文所建立的雨洪蓄滞原理，在宝鸡市北坡生态公园的中心广场进行了雨洪利用的规划设计。     

模型溢流反弧段紊流过渡区的边界层特性

木文利用高速水力学国家重点实验室的激光测速仪对三种不同粗糙度、两种反弧半径的溢流反弧段的水流流速进行了测量，对边界层特性进行了分析研究。试验分析认为，水流流态，壁面粗糙度和壁面曲率对边界层特性有明显的影响。     

基于准自由涡分布的阻塞旋流泄洪洞流场分析

为解决高坝泄洪建筑物亟待解决的高速水流问题,提出了新型的阻塞旋流泄洪洞。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,对该类泄洪洞在不同阻塞体型下的流态、泄流量、壁面压强、空腔直径、旋流角和流速等水力特性进行了研究,并在此基础上基于准自由涡分布理论对旋流流场进行了分析。结果表明,阻塞有利于改善旋流洞内流态,增大壁面压强,可大大减小空化可能性;阻塞使旋流空腔半径减小,旋流角增大,同时阻塞处水流急剧紊动,提高了水流消能率;阻塞可减小泄流能力是其不利之处。依据水流流动的形成机理分析和试验实测流速分布特点,基于准自由涡分布规律对切向流速进行了分析,得到了相关参数;建立了壁面压强、旋流角、空腔直径、泄流量与切向流速分布参数等水力特性间的关系式和相对轴向流速的计算表达式,并通过试验实测数据验证了旋流准自由涡运动规律的正确性。研究成果可为阻塞旋流泄洪洞的研究与应用提供参考。     

旋流消能工内空腔旋流的流速特性

为了揭示空腔旋流的内部流场特性,以公伯峡水平旋流消能工为例,结合数值模拟和试验成果,研究了空腔旋流的流速特性。结果表明,随半径的增大,同一轴向断面的切向流速呈先增大后减小的规律,具有组合涡的分布特性,而轴向流速具有先急剧增大,而后平缓变化的特性。旋流消能工内空腔旋流的流动以切向流动和轴向流动为主,且沿程是由切向流速向轴向流速转变的,并与旋流角的沿程分布相印证。组合涡指数是旋流内部流动自由程度和能量损失的体现,在研究流段上其值介于-0.8～0.5之间,并随半径的减小而减小;组合涡指数的沿程分布表明旋流消能工内的空腔旋流沿程是由准强制涡向准自由涡转变的。推导并建立了压强及流量的计算公式,代入数值模拟结果验证了空腔旋流的组合涡运动规律。     

水平旋转空腔环流的壁面切应力的变化规律

本文推导了水平旋转内消能泄洪洞空腔环流壁面切应力的理论分析表达式。水平旋转空腔环流的壁面切应力不仅与泄流量、旋流夹角、切向流速的速度矩、空腔环流的内外界面的压强差及空腔半径有关，还与空腔环流的内外界面压强差及空腔半径沿程变化率有关。壁面切应力在水平洞的前半段急剧减小，随后沿程缓慢减小，按指数规律衰减变化；上游水位、下游水位越高，其值越大，沿程的衰减变化率也越大；通气孔的直径对壁面切应力的影响较小。壁面切应力的变化规律表明，能量的耗散和易于空化的部位主要在水平洞的前部。