水平旋流阻塞内消能泄洪洞的水利特性研究

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水平旋流泄洪洞是一种新型的消能形式,在旋流洞中设置阻塞形成旋流阻塞复合内消能工,有效地提高了水平旋流洞的适用水头与消能率,是导流洞改建或新建旋流式泄洪洞的一种可行方案。  本文采用模型试验、理论分析、数值模拟相结合的方法,研究了三种阻塞体型下的水平旋流阻塞内消能泄洪洞的水力特性,并探讨了各项基本水力参数之间的相互关系,采用FLUENT流体力学软件,进行了阻塞式旋流泄洪洞的数值模拟,对旋流洞内的流速分布进行定量分析,弥补了试验研究的不足。主要的研究成果有:  (1)研究并解释了竖井段压强随水深的变化规律,对比验证了起旋器喉口断面顶托压强的计算值与试验值。  (2)旋流洞段断面切向速度矩随阻塞孔口面积收缩比的增大依次减小,且沿程分布趋于均匀,反映了空腔环流的壁面压强、空腔直径沿程波动变小,洞内的水流运动越稳定。  (3)随着阻塞面积收缩比的增大,旋流洞内压强势能所占比例明显增加,动能所占比例减小,切向动能大于轴向动能的部位延长,水流的环向运动加剧,较大地提升了水平洞段的消能率。  (4)阻塞式空腔环流的切向流速沿径向分布符合组合涡运动规律,在靠近水气交界面附近的水流层内流动为强制涡.靠近壁面的流动区域符合准自由涡,准自由涡指数n和切向速度矩C沿程逐渐增大,越靠近阻塞,旋流洞内水流越接近自由涡运动。  (5)用空腔环流断面能量公式计算了水平旋流阻塞内消能泄洪洞各部位的水头损失,并用数值模拟结果进行了对比,显现了此种消能工分段分级消能的特点。  (6)紊动能和耗散率数值沿径向呈双蜂性分布的特征,沿程在阻塞部位急剧增大,表明水气交界面附近的分子混掺以及阻塞末端的突缩突扩是此种泄洪洞消能的主要方式。  本文所做研究可以为水平旋流阻塞内消能泄洪洞的水力特性分析以及体型设计提供相应参考。
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