多股多層水平淹沒射流的消能研究

多股多層水平淹沒射流的消能研究我國高水頭大流量工程的興建給我們提出一個(gè)新的課題：如何有效地解決泄洪前沿寬度有限、單寬流量較大的水電工程的泄洪消能問題。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，提出了多股多層水平淹沒射流消能。多股多層水平淹沒射流消能既是傳統(tǒng)水躍消能形式向復(fù)雜空間三元水躍消能形式的發(fā)展，也沿襲了流體力學(xué)中關(guān)于多股淹沒射流研究的一些思想和方法，可以說是一種新型的泄洪消能方式。本文通過理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三者相結(jié)合的方法對其消能機(jī)理和流態(tài)穩(wěn)定性做了分析和研究，其主要研究內(nèi)容和成果有：1、通過對前人研究成果的分析，指出具有跌坎和突擴(kuò)的空間三元水躍能夠適應(yīng)不同的下游水位，其流態(tài)穩(wěn)定性和消能效果要優(yōu)于二元水躍，尤其是解決了底流消能臨底流速大，消力池底板易遭受沖刷破壞等比較突出的難題。但對既有突跌又有擴(kuò)寬的水平淹沒射流缺乏系統(tǒng)研究，對其流態(tài)穩(wěn)定性和消能機(jī)理的研究國內(nèi)外均缺乏相關(guān)報(bào)道。2、結(jié)合工程實(shí)際需要，提出了基于空間三元水躍消能機(jī)理和挑流多股淹沒射流消能機(jī)理的多股多層水平淹沒射流消能形式。多股多層水平淹沒射流是將高流速、大單寬水流沿橫向和垂向分成多股、多層射流，進(jìn)入消力池水體的中部。使高流速帶與底板和水面均保持一定的垂向距離，利用在射流軸線周圍所四川大學(xué)工學(xué)博!:學(xué)位論文形成的強(qiáng)剪切、不同漩滾、劇烈混摻來達(dá)到消能目的的新消能型式。3、從傳統(tǒng)水力學(xué)的角度出發(fā)，推導(dǎo)出單股單層、多股單層和多股多層水平淹沒射流三種消能方式的消能率計(jì)算公式，定性分析比較了消能效果的優(yōu)劣和影響消能效果的主要因素，發(fā)現(xiàn)多股多層水平淹沒射流較前兩種方法的流態(tài)穩(wěn)定性和消能效果都好。4、數(shù)值模擬技術(shù)能彌補(bǔ)物理模型測試手段的不足，能夠得到三元淹沒水躍詳細(xì)的流場水力特性，如流速及壓強(qiáng)分布、紊動(dòng)能及其耗散率分布等。比較物理模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果得到的水力參數(shù)及其分布，二者吻合良好，從而證實(shí)數(shù)值模擬結(jié)果基本正確、可信。5、通過對單層多股和多層多股水平淹沒射流兩種消能方式在三種工況下的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn):多股多層水平淹沒射流由于水股間的碰撞大，相互間的剪切作用加劇，消能效果明顯比單層多股好。多股多層水平淹沒射流的主流在消力池中部，而單層多股的主流潛底，前者的流態(tài)穩(wěn)定性明顯優(yōu)于后者。6、在向家壩水電站消能建筑物的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制作了多股多層水平淹沒射流的水力學(xué)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明，水平淹沒射流采用表中孔間隔布置，分層出流以形成淹沒射流的型式在技術(shù)上是可行的，并具有消能效果顯著，流態(tài)穩(wěn)定，臨底流速低等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)研究了中孔泄槽的體型、表中孔高程、跌坎體型等因素對多層多股水平淹沒射流水力特性的影響。7、試驗(yàn)研究表明，表、中孔的坎高應(yīng)足夠大，才能有效地降低消力池臨底流速。兩坎之間的高差應(yīng)大于中孔水流的主流厚度。以使上下兩層射流均能在橫向和豎向充分?jǐn)U散，有效地利用消力池中部的消能水體，形成三元立體擴(kuò)散消能，提高消能效率，從而達(dá)到池底流速小，水面波動(dòng)小的效果。8、試驗(yàn)研究表明，射入消力池水股的斷面形狀對于消力池流態(tài)隨下游水位而變的流態(tài)穩(wěn)定性有明顯影響，水平方向窄而垂直方向厚的水舌適應(yīng)水位變化的穩(wěn)定性較好，能始終保持水平淹沒射流狀態(tài);寬而扁的水舌適應(yīng)水位變化的穩(wěn)定性較差，容易隨下游水位的升高或降低而潛底或上漂。泄槽的體型以等寬泄槽或微收縮泄槽為宜。摘要9、試驗(yàn)研究表明，延長隔墩的主要作用在于分隔表孔與中孔水流，避免相互干擾，從而改善中孔水流流態(tài)，防止發(fā)生空蝕破壞，同時(shí)