不同组合连接体形下旋流式竖井水力特性试验研究.docx

? ? 不同组合连接体形下旋流式竖井水力特性试验研究 ? ? 苟 超，杨红宣，沈春颖，赵国安，龚兴勇 (昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500) 0 引 言 旋流式竖井主要是利用竖井段的旋流消能和底部的消力井对下泄水流进行消能，这种消能方式首次在20世纪40年代由学者Vischer等[1]提出。作为一种新型高效的泄流消能工，与传统消能方式相比，旋流式竖井因具有结构相对简单、对地形的可适应性强、无雾化及消能率高等优点而被广泛应用，如溪洛渡、双沟、清远及小湾水电站[2-5]等水电工程均采用旋流式竖井消能。近年来，不少学者对旋流式竖井的体形、竖井深度、底部消能区压力特性和消能率进行了研究并取得了一些成果。赵建永等[6]通过模型试验对小流量旋流涡室体形进行了比较择优，得出了最佳的涡室体形为椭圆体形，但未对该体形下涡室水面线及压强问题进行研究。南洪等[7]采用数值模拟的方法对旋流式竖井深度在50～140 m的情况下进行研究，研究结果表明：竖井深度在50～110 m时，竖井消能率并非随消力井深度增大呈线性相关，而是表现为先增大再减小的规律；当竖井深度大于120 m时，消力井深度对消能率的影响较微，竖井消能率只有较少增加。Camino等[8-9]借助水工模型试验在不同泄流量工况下对水流流态、消能率等水力特性进行研究，最后得出旋流式竖井的消能率可达到80%。杨乾等[10]通过将物理试验与数值计算相结合的方法，分析了折板型竖井水流流态、湍动能及消能机理。 综上所述，国内外学者所进行的研究主要集中在竖井尺寸、竖井泄流量对旋流式竖井水流流态和消能率的影响。实际上，竖井旋流要想获得良好的消能效果，主要是在竖井中要能形成良好的旋流流态，良好的流态又与竖井进口前引水道的连接体现密切相关，而且对同一体形，当下泄流量不同时又会有不同的流态，从而有不同的消能效果。因此引水道与竖井进口的链接体形及下泄流量的大小都对竖井的流态和消能效果有着重要的影响，这些影响关系错综复杂，有待进行深入研究。目前，竖井进口的引水道与竖井的连接有一些不同的体形，其中，常用曲线段边墙加折流坎边墙的组合改变竖井进口水流的方向及流速以获得良好的旋流流态。在将折流坎折角与消力井深度进行组合对旋流式竖井水力要素的影响方面的研究成果较少，折流坎折角和消力井深度作为结构设计的重要参数，对旋流式竖井的流态及水力要素有着重要影响。笔者通过改变折流坎折角和消力井井深，借助水工模型试验的方法研究不同连接体形下的水流流态及相关水力要素，并分析其对旋流式竖井泄流消能的影响。 1 模型试验布置 试验模型主要由引水道、竖井涡室段、竖井段、消力井及退水出口段等5部分组成，如图1所示。引水道为明渠矩形段，断面尺寸由18 cm×22 cm(宽×高)渐变为15 cm×22 cm，长度(指进水口至涡室进口处)为230 cm，为避免涡室回旋水流与来流发生碰撞[11]，底坡坡度取5%。引水道末端左侧通过由长轴为38 cm、短轴为22 cm的1/4椭圆曲线(ab段)与涡室消能竖井相接，右侧为折流坎(cd段)。已有资料[12]表明，折流坎折角与边墙的夹角在10°以内，试验中分别采用了折流角θ=0°(即无折流坎)、3°、4.5°及6°的4种折流坎。涡室直径20 cm，高度50 cm；竖井直径D=15 cm，高度194 cm；消力井直径20 cm，并在涡室与竖井以及竖井与消力井之间均设有渐变段，其长度为20 cm。退水出口段为无压明渠段，断面尺寸为18 cm×22 cm(宽×高)，长200 cm，纵坡坡度2%。在消力井底板设D1～D4共4个测压孔，其位置在图示xyz坐标系(坐标单位cm)中为D1(0，-5，0)、D2(0，0，0)、D3(0，5，0)、D4(5，0，0)；试验中共设了3种消力井深度进行试验，h分别为15、25 cm和35 cm。对消力井深度h=35 cm时，在消力井段边壁上设B1～B5共5个测压孔，其位置为B1(0，10，5)、B2(0，10，15)、B3(0，10，25)、B4(10，0，10)、B5(10，0，20)。试验模型从引水道至竖井后的出水段全部采用8 mm的有机玻璃制作。 图1 试验模型体形(单位：cm) 试验中，用三角形薄壁堰控制下泄流量，并将下泄流量进行无量纲化处理得到流量参数Q2/gD5(Q为下泄流量，m3/s；D为竖井直径，m)，水位采用精度为0.1 mm的测针测量，流速采用长江科学院自制的LS- 401D型便携式流速仪测量，各测点时均压强利用玻璃测压管和精度为1 mm的钢板尺测量。 2 涡室水流流态分析 涡室流态影响着竖井旋流流态，并最终影响竖井旋流的消能效果。而涡室流态与涡室进口处连接体形有关。引水道与竖井连接处左边墙的椭圆形段作用是改变水流进入涡室的流速方向，利于水流在涡