（水利水电工程专业论文）双向水流进出水口水力特性研究.pdf

摘要 在水利水电工程中，进水口的水力特性是衡量其体型是否合理的重要指指 标，本文结合物理模型实验对抽水蓄能电站水库型与河道型两种不同类型水库的 进出水口水力问题进行了研究，包括发电和抽水两种工况下进出水口流速分布、 各通道流量分配、进出水口水头损失、库区流场及入流旋涡等水力参数。水工建 筑物的进水1 2 1 前经常会出现漩涡，比较严重的会出现吸气漩涡，对于水工建筑物 和水力机械有一定的破坏，本文研究了临界淹没深度，以确定进水口前的最小淹 没水深，避免有害夹气旋涡的产生。采用模型试验方法研究抽水蓄能电站双向水 流进出水口水力特性及漩涡问题。主要研究内容和研究成果如下： 1 对不同方案双向水流进出水口的各项水力特性进行了比较、研究分析， 重点是进出水口体型及位置的变化对其的影响。 2 河道流速对双向水流进出水口的水头损失、流速分布、流量分配、库区 流场及入流旋涡的影响。由实验研究了上、下库的水头损失、流速分布、流量分 配、库区流场及入流旋涡等水力特性，参考一些工程实例并进行比较，判断河道 流速对于这些水力特性的影响。 3 河道行进流速和进水口体型位置对于进出水口临界淹没深度的影响。利 用国内某抽水蓄能电站下库水力模型实验，改变河道流速并改变进水口体型和位 置来研究其对进出水口的临界淹没深度的影响。 4 当在临界状态出现有害的吸气漩涡时，反推g o r d o n 公式中系数c 的值， 并用p e n n i n o 公式算出弗汝德数只，与经验值相比较，给出了对于双向水流进出 水口g o r d o n 系数c 与弗汝德数f 的取值范围。 关键词：流速分布水头损失库区流场吸气旋涡临界淹没深度模型试验 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ei m p o r t a n tf o re v a l u a t i n gw h e t h e rt h ec o n f i g u r a t i o n a tt h ei n t a k e so fh y d r a u l i cs t r u c t u r e si sr e a s o n a b l e b ym e a l l so ft h ee x p e r i m e n t ，t h e h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n l e t - o u t l e th a v eb e e ns t u d i e d ，t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y ，t h ed i s c h a r g ed i s t r i b u t i o ni ne a c hp a s s a g e ，t h eh e a dl o s s ，t h ec i r c u l a t i o nf l o w a n dt h ei n f l o wv o r t e xa r et e s t e d t h ev o r t e xo f e na p p e a r si nh y d r o e n g i n e e r i n g ，w h i c h s o m e t i m e s d e v e l o p s t oa i r c o r ev o r t e xa n dd a m a g et h eh y d r a u l i cs t r u c t u r eo r h y d r o - m a c h i n e i nt h i sp a p e rt h ec r i t i c a ls u b m e r g e n c e i ss t u d i e dt oa v o i dt h eo c c u r a n c eo f a i r - c o r ev o r t e x m o d e le x p e r i m e n ti san o r m a lm e t h o dt om e a s u r et h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ev o r t e xd i s c i p l i n e sa ti n t a k e so fh y d r o e n g i n e e r i n g b a s e do nt h e a c h i e v e m e n to fp r e s e n ti n v e s t i g a t i o nt os t u d yt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dc r i t i c a l s u b m e r g e n c ea tt h ei n l e t - o u t l e to f p u m p e d s t o r a g ep l a n t ，t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i sp 印e r a r ev a l u a b l ef o rt h ed e s i g n so fs i m i l a rp r o j e c t s t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t os t u d yt h ei m p a c t so f c h a n g i n gt h ec o n f i g u r a t i o na n dl o c a t i o na ti n t a k e st h r o u g h t h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n ts c h e m e ，a n dd e t e r m i n ew h i c hi st h es u i t a b l eo n e 2 t os t u d yt h ei m p a c t so fr i v e rf l o wo nt h eh e a dl o s s ，t h ev e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y ，t h ed i s c h a r g ed i s t r i b u t i o ni ne a c hp a s s a g e ，t h ec i r c u l a t i o nf l o wa n dt h ei n f l o w v o r t e x 3 t oo b s e r v et h ei m p a c t so nc r i t i c a ls u b m e r g e n c eo fi n t a k e sw i t ht w o - d i r e c t i o nf l o w w i t ht h er i v e rf l o wo rd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o na n dl o c a t i o n 4 t od e t e r m i n et h ec o e f f i c i e n tco f g o r d o nf o r m u l aa n df ri nt h ep e n n i o nf o r m u l a ， a n dg i v et h er a n g e so f t h ec o e f f i c i e n tca n dt h ef r k e y w o r d s ：v e r t i c a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y ；h e a dl o s s ；c i r c u l a t i o n ；i n f l o wv o r t e x ；c r i t i c a l s u b m e r g e n c e ；e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：姜砖 2 。6 年6 月7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国 学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文 的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在 保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或 部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：姜垮 2 。6 年6 月7 日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 在工业发达国家，常规水电的建设在上世纪五六十年代已先后进入停滞不前 的阶段，而随着经济发展，抽水蓄能作为常规水电的补充得到迅速发展。近三四 十年来，工业发达国家抽水蓄能电站发展越来越快，迄今有些国家如美国、日本 抽水蓄能电站的总装机容量已超过2 0 0 0 万kw ，不少国家己占常规水电容量的 一定比例，日本甚至己近相等。据不完全统计，世界抽水蓄能电站约有4 0 0 余座， 总容量约1 0 亿kw 以上【1 】o 从发展趋势上看，抽水蓄能电站的比重还将大幅度 增加。随着经济的不断发展，社会对电力的需求日益增长，而电网中各种能源包 括煤电、油电、核电、地热发电以及燃气发电等增加很快，而常规水电受水能蕴 藏量及分布不均匀等限制，往往不能成比例增长，在电网中所占比例日益减少， 造成电力系统中调峰电源短缺，而低谷时又造成电流周波加大，影响供电质量。 其弥补办法往往可采用增加抽水蓄能电站或燃气轮机，中国历来油的产量较小， 一般不用油来发电。常用的办法是增设抽水蓄能电站【2 “。 抽水蓄能电站是利用地形，建设上、下水库，电网电能多余时将下水库的水 抽到上水库储存起来，需要时再放水发电。其耗电量与发电量之比一般在4 ：3 5 ：4 之间，是一种保持电网稳定、安全运行的有效措施，因为社会生产和生活 规律决定了用电量在一天2 4 小时内是不均衡的，电力系统要用调峰手段来解决 这种电力盈缺现象。抽水蓄能电站有以下几个方面的作用：一是削峰填谷。可以 利用低谷时富裕电量抽水，在系统高峰时发电。二是事故备用。抽水蓄能机组起 停迅速，从启动到满负荷只需1 2 分钟，是良好的事故备用电源。三是可以改 善火电、核电运行条件。电网系统必须有一些机组频繁起停运行。如果建设一定 比例的抽水蓄能机组，可以”解放”火电机组，让它们在高效率区间以稳定的出力 运行，对于核电站而言，更需抽水蓄能电站配合改善其运行条件。四是可以改善 水电调节性能。当水电站在汛期被迫弃水调峰时，抽水蓄能电站可以消耗电网的 大量电力加以”储藏”，减少大量的弃水。五是发挥线路的输电能力。有了蓄能电 站，相当于一条高速公路变成了两条高速公路，用电低谷时，线路可以满载运行， 用电高峰时，蓄能电站依然可以供给高峰负荷。六是可以产生显著的动态效益。 抽水蓄能的动态效益主要体现在承担短负荷、事故备用、调频、调相、提高系统 第一章绪论 运行可靠性等方面。 抽水蓄能机组可以和常规水电机组安装在一座电站内，这样的电站既有电网 调节作用有径流发电作用，称为混合式蓄能电站。有的蓄能电站是专为电网调节 修建的，与径流无关，则称为纯抽水蓄能电站。 抽水蓄能电站的工作原理是利用可以兼做水泵和水轮机的蓄能机组，在电力 负荷低谷时f 夜间) 做泵运行，用基荷机组发出的多余电能将下水库中的水抽到上 水库贮存起来；在电力负荷高峰时( 下午及晚上) 做水轮机运行，将水放下来发电。 抽水蓄能电站的综合效率一般为6 5 7 0 ，性能特别优越的可达到7 0 7 5 或更 高。一座抽水蓄能电站具有如图卜1 所示的几个基本组成部分【5 】0 图1 1 抽水蓄能电站的基本组成部分 在抽水蓄能电站的上、下水库中，进出水口是其重要的组成部分，它具有双 向水流的特性，例如上库在发电时为进水口，则在抽水时变为出水口，下库反之， 故简称进出水口，它的构造与设计和常规电站有以下几点不同： ( 1 ) 由于水流是双向流动，因此体型轮廓设计要求更为严格。进水时，要逐 渐收缩，出水时要逐渐扩散，全断面上流速尽量均匀，不发生回流、脱离，因此 渐变段长度一般较长。 ( 2 ) 由于发电及抽水时均要过水，因此水头损失要求更小些，否则整个系统 的总效率将降低。 ( 3 ) 抽水蓄能电站的上库和下库，有时是人工填挖而成，为了尽量减少工程 量，要求尽可能利用库容，因此在某些隋况下，上库和下库的工作水深较大，而 当库水位较低时，容易发生吸气旋涡。在设计进出水口时，应设法避免。 ( 4 ) 抽水蓄能电站单站容量常较大，水道中流速亦较大，可能达到5 6 m f l s ， 若出流时，扩散不良，或发生旋涡回流，局部流速可能更高，不仅水头损失增大， 2 河海大学硕士学位论文 甚至会引起拦污栅震动、破坏，造成事故，这较常规电站发生的多。 ( 5 ) 抽水蓄能电站的上、下库库容一般不太大，水库充水时，整个水库水体 发生环流，对水库底部造成冲刷，引起某些不良后果，设计时应避免或尽量减轻。 现在常用的进出水口有三种基本型式。 虽简单的是与底板齐平的喇叭形圆孔，直接与竖直的压力管道连管接，这种 结构称为敞开式进出水口。为防止污物落入或被吸入，有时在开口上设有拦污 栅。 第二种型式是在敞开的进出水口的上面修一个顶板，配以曲线过渡段，水 流由四周侧向进出，称为顶板式进出水口，为支撑顶板，必须有一幅向形的导板， 它们亦起防止漩涡的作用。这两种进出水口可统称为井式进出水口。如图1 2 所示。 第三种型式是侧式进出水口。建造在水库岸边，结构比较庞大，后接水平或 倾斜的隧洞或压力管道，岸边开挖量较大。很多抽水蓄能电站的引水道是水平方 向进入水库，因此侧式进出水口用的较多，它对引水道的施工有一定方便之处。 侧式进水口如图卜3 所示。 井式进出水口和侧式进出水口在水力学设计上也有不同之处。 ( 1 ) 井式进出水口的下部，一般都有弯道，弯道水流产生离心力，主流向外 侧偏离，因而井的四周流速不均。实验证明，采用渐缩式弯道，可以改善水流， 使各孔过流量均匀。 ( 2 1 在发电进流时，一般在垂直方向流速分布可以比较均匀，即进出水口顶 部流速和底流速相差不大。在出流时，孑l 口的出流属于扩散流动，水流经盖板及 弯道，表面流速与底部流速相差较大，出流的稳定性较差，因此可能冲刷库底， 需在一定范围内做好护底。 第一章绪论 图1 - 2 井式进出水口布置简图 图1 - 3 侧式进出水口布置简图 4 河海大学硕士学位论文 1 2 双向水流进出水口水力特性研究概况 对于水电站进水口水力特性已经有了很多研究成果，并且，不少研究成果取 得了很好的效果，得到广泛的应用，而抽水蓄能电站双向水流进出水口水力特性 的研究相对较少。 在设计抽水蓄能进出水口时，主要应满足 7 】【9 】：( 1 ) 入流要避免产生有害的 吸气漩涡；( 2 ) 进出水流要均匀、平顺，各通道流量分配要均匀合理：( 3 ) 水头 损失应尽可能的小：( 4 ) 库盆流态良好。在满足上述要求下，尽量节省工程量。 抽水蓄能电站进出水口水力特性包括流速分布、各通道流量分配、进水口水 头损失、l 临界淹没深度及库盆流态等水力参数1 2 。13 】，对于抽水蓄能电站来说包括 发电和抽水两种工况的。 一、流速分布及流量分配 进出水口各孔口的断面流速分布沿垂线方向分布要较均匀，一般孔口底板 附近流速大于靠近孔口顶部流速，各通道各水层的流速应较接近，相差不大。研 究表明：出流时高速流区的位置与进出水口后隧洞顺进流方向下降坡度的大小， 以及与进出水口连接的输水道在垂直面内是否有弯道有关。一般要求连接进出水 口的隧洞有3 0 4 0 d 的直段，国外有关试验研究表明：如果包括进出水口在内的 输水道在垂直面内有弯道，且弯道离进出水口较进，则在出流时会出现高速流区 靠近进出水口顶部的流速分布。 进出水口各孔口的断面流速分布包括垂直和平面流速分布两方面，两者是相 关联的。在有分流墩的条件下，应首先着眼于调整平面流速分布，这对水头损失 影响较大。若顶板扩张不当，很容易在顶部产生水流分离出现负流速，应尽可能避 免，这往往是侧式进出水口调整流速分布的重要问题。 各通道的流量分配应尽可能的均匀，由于扩散段过长会使进出水口工程量 太大，为了缩短扩散段的长度，应设法扩大水平扩散角o ，即在扩散段设置分流 墩，强迫水流扩散。 决定各孔流量分配的主要因素是分流墩的布置，如何合理布置分流墩对于进 出水口各孔的流速分布及流量的分配起到很关键的作用。一般的来说，单机的 进出水口分成2 4 孔，也有多至6 孔，每孑l 扩散角0 1 0 0 。总扩散角0 = 2 5 0 4 5 0 ，扩散段长l = 3 6 8 d ( d 为孔口高度) 。分流墩在平面上布置成直线形最简单， 第一章绪论 但也有经实验建议做成曲线形。若有1 3 个分流墩，分流墩的起点，最好存扩 散段后面0 5 d 处。由于水道中间部分流速快，两侧流速略低，因此分流墩间隔 是不等的，例如分成三孔时，中孔间隔为0 3 b ( b 为孔口宽度) ，两侧间隔为0 3 5 b 。 若为四孔时，中间两孔为0 2 2 b ，两侧均为0 2 8 b 。分流墩在起始区域占了较大 的过水断面，会使水头损失增加，因此常将分流墩头部做成窄而尖的形状。一 般来说，抽水蓄能电站在出流时两个侧通道的流量略大于中间通道，进流时则相 反。 二、水头损失 进出水口的水头损失主要是局部水头损失，其水头损失的大小是衡量进出 水口水力设计的水流条件优劣的重要指标。 进出水口的水头损失计算公式如下： 发电工况进水口进流损失：h ，= 胃。一h ，一盘v 2 2 9 + a 略2 9( 1 1 ) 抽水工况出水口出流损失：h ，= 日j h o + 口v 2 2 9 一口曙2 9 ( 1 2 ) 水头损失系数： 孝= h ，( a v , 2 2 9 )( 1 - 3 ) 其中：h ，为进水口段水头损失( m ) ；h 。为库水位；h ：为测量断面测压管水位( m ) ； k 为进出水口的行进流速( m s ) ；v 为测量断面处流速( m s ) ；口为断面流速分布 系数。 具有关资料记载，已建抽水蓄能电站侧式进出水口进流水流呈收缩状态时的 水头损失系数在0 1 4 到0 3 0 之间，出流水流呈扩散流状态时的石头损失系数在 0 3 6 到0 8 0 之间。 扩散段的水头损失系数。，取决于水流状况扩散冲击、局部分离和局 部冲击，其影响参数主要有顶板扩散角0 ( 也可是双向扩散) ，扩散度n ( r l = a 1 a o ，其中a 。为进水口断面面积，a 0 为闸门井处断面面具) ，来流条件及淹没度 等诸多因素：在有分流墩构成多孑l 流道的情况下，各孔道流量分配的均匀程度是 更为重要的影响因素。从图1 3 的几何条件不难看出，n = a 1 a o 和l d 可以很 好地概括这些因素。图1 - 4 是根据一些工程资料点绘的a 1 a o l d 关系，反映 了一些工程中的应用范围。从中可以得出a 1 a o = ( 0 8 o 9 ) l d ，可作为选择 扩散段适宜边界条件的参考依据 5 】o 河海大学硕士学位论文 l i d 图1 - 8 a 1 ，l d 关系 三、库盆流态 进出水口出流时，希望在水库内尽快扩散，以减少对水库库底的冲刷和减少 环流等其他不良影响。这种出流扩散的情况不仅取决于出水口本身的尺寸和形 状，也决定于水库形状、水深和尺寸，以及进出水口在库中的布置情况。 如出口两侧水面突然扩大，则两侧均会发生环流，出口流速扩散就慢。如果 出口一侧逐渐扩大，而另一侧较快地扩大，则在较快扩大的一侧会形成环流，并 压迫出流偏向逐渐扩大的一侧，甚至会因流速过大，发生冲刷。 在立面上，若有突然扩大，也会发生回流，增加水头损失。出流的底流速太 大，会冲刷库底，需要做好护坦。出口的水面流速太大，可能对水库中行船造成 不利。因此一般宜根据实际情况需要，用模型实验来加以调整验证。 当抽水蓄能电站容量较大、布置两条输水道和两座相应的进出水口时，若 两条水道轴线平行或集中交汇于库内时，流速不宜降低。若两条水道出口向库内 布置成放射分开的形状时，环流区减小，流速易于降低，效果较好。 对于天然的上下库，应仔细选择进出水口的位置与布置。对于人工挖填建造 的上下库，受地形、工程量的限制更多些，因而难度更大些，有时不得不权衡利 弊，放弃某些次要的要求f 5 】d 7 第一章绪论 四、临界淹没深度 在对进水口临界淹没深度理论方面。国内外都有所研究，并且不少研究已经 取得了很好的效果，在水利工程、水电站、泵站中得到广泛的应用。 抽水蓄能电站双向水流进出水口临界淹没深度是指对应于某一流量下，进出 水口前的一个必要的最小淹没深度。该水深可以保证：在进水口压力管道中不 出现负压；避免进水i ；3 前出现串通的吸气漩涡。 影响进水口性能的主要因素是进出水口水流中的旋涡。进出水口的旋涡有两 种：立轴旋涡及横轴旋涡，立轴旋涡更容易造成进气。决定旋涡形成的主要因素 有：水流行进流速的大小，行进流速分布是否均匀、对称，有无环流，淹没深度 的大小，进出水口本身的轮廓尺寸及结构形式。设s 为进水口中心线以上的最 小淹没水深，d 为闸门处的孔口高度，则相对淹没水深s d 是主要因素。根据实 验产生吸气旋涡的s d 范围是：对于垂直旋涡s d 3 5 ，对于水平旋涡s d 2 。 因此高水位时问题不大，在低水位时就要注意。夹气旋涡主要能够引起两类工程 问题，一是对水力机械的运行带来影响，二是在封闭的有压输水系统中引起危险 的液压气动问题。这样不仅影响其效率，而且导致叶片上具有不平衡的压力分布， 引起机组震动，以及气泡的积累在压力隧洞内形成气囊等【19 1 。 抽水蓄能电站与常规水电站相比，水库具有容积小、水位变化频繁的特点。 为了充分利用库容，其水库的水位变幅常达十多米，死库容小，难以获得足够的 淹没深度，必须采用防涡梁、板等结构来消除吸气旋涡和拦污栅结构的震动。在 进行进水口的设计时，必须确定其在自由水面下的最小淹没深度，以保证边界上 不出现负压，尽可能减少自由水面的旋涡以及避免夹气旋涡 3 5 】。 根据文献中所述，水电站进水口前的旋涡可如下分类降3 4 ： ( 1 ) 不吸气漩涡( 凹陷漩涡) 这种漩涡通常在流流速较小时发生，强度较小，仅在水面形成一个凹陷，水 面有明显的转动，没有吸气现象，见图卜9 ( a ) 。 ( 2 ) 间歇吸气漩涡 在一定的来流和水位下，水面形成了一种间歇吸气漩涡，进一步的观察表明， 间歇吸气漩涡又可分为两种形态：a 间歇地吸入大量气泡，这种漩涡仅在水流 表面发生强烈的紊动，产生较强的波浪现象，几乎没有噪音，振动也不剧烈；b 间 河海大学硕士学位论文 歇地贯通吸气，这种漩涡能产出强烈的噪音和振动，并且贯通时导致进水口过流 能力的减小，见图卜9 ( b ) 。 ( 3 ) 持续吸气漩涡 这种漩涡自始至终吸入空气，见图卜9 ( c ) ，发出强烈的噪音，诱发建筑物振 动，由于吸入大量的空气，导致泄流能力减小，在工程实际中，此类漩涡的危害 最大。本文主要针对这种漩涡发生条件进行研究，希望对工程实际有一定的帮助。 ( a ) 不吸气漩涡( b ) 间歇吸气漩涡( c ) 持续吸气漩涡 图1 - 9 各种形态漩涡示意图 消除漩涡的方式有许多，对于不同形式的漩涡，其消涡方法也有不同，可以 对进出水口及胸墙的形式进行优化，改善运行方式，还可以修筑专门的结构物来 消除进出水1 3 漩涡，主要方法有如下几种p 8 。3 9 】： f 1 1 优化进出水口设计 漩涡产生的水力因素有进出水1 3 的淹没深度以及进出水口流速，因此合理设 计进出水口能有效地防止漩涡的发生，尤其是吸气漩涡的产生。为了加大淹没深 度，在一定的库水位的情况下，必须降低进出水口的底板高程，这样会导致工程 造价的增加。因此，合理的进水1 3 形式需要通过经济比较选取。 ( 2 1 改善运行方式 降低闸门的门孔，使其在相同的流量情况下，增加淹没深度，减小进出水口 的流速，消弱水流的紊动，克服水面漩涡；尽量在高水位工况下运行，以保证进 出水口前有一定的淹没深度。 ( 3 1 改善进流情况 改变进水建筑物的位置、体型，使行进流速均匀对称，可以减轻或消除环流。 渠宽t k t l 口尺寸不宜过大，渠道两侧边坡宜陡些，以减少可能产生环流的空间。 沿进流方向，断面宜稍为收缩，使水流逐步加速，这是较为有利的。在井式进出 水口，也有设置环流墙的办法。 ( 4 ) 设置浮排 第一章绪论 在产生漩涡处的水面上，安放漂浮的板、梁、格栅一类的浮排，对防止漩涡 有效，但若该处漂浮物较多，或冬季冰冻较严重，不宜设置浮排。 ( 5 ) 设置防涡梁 对于侧式进出水口，常在孔口处的上方设置固定的防涡梁，用来遮断漩涡的 流心，阻止其发展。梁距要适中，太窄则漩涡会转至梁的前方，太宽则漩涡仍会 进入水道。防涡梁的布置形式主要有咀下几种：水平布置防涡梁阶梯布置 防涡梁v 型防涡梁 防涡梁布置形式的选择主要结合实际工程的需要，关于其尺寸目前国内有关 文献中建议防涡梁高度不小于1 5 m ，实际抽水蓄能工程中较普遍采用高度大于 2 0 m 的防涡梁。溪口抽水蓄能电站进出水在第一道防涡梁与拦污栅之间的水流 通道中加设防涡齿板，发现它对消减旋涡有较明显的作用。这进一步说明，防涡 结构的效果是进，出水口各参数共同作用来实现的。 1 、 最常用的临界淹没水深的公式 f 1 1 以进口高度构成的公式 s = n 口 ( 1 - 4 ) 式中n 为常数，s 为进水口中心线以上的淹没深度，口为闸门井处高度。 图1 - 6进水口不薏幽 图中u 为进水口处断面流速，v 为闸门井出断面流速。 p r o s s e r 4 7 】认为r l 2 5 时，该式适于平均流速v = 4 0 m s 左右，流量范围 1 q 1 0 5 ) ，流体粘滞力的影响可以忽略，则方程简化为： ( a d ) 。，= ，( 妒，f r ，n 。) ( 2 7 ) 如将剩下的无量纲数进行合理的组合，那么方程还可以进一步进行简化。近 年来对于进水口水力特性的研究成果表明环流参数。和进水口弗汝德数只之 间存在一定的关系： n c fr = j 了( 2 - 8 ) qg d 2 如下的关系式可以称之为“旋涡参量”，它既包括了几何特征也有进水口入 流环流的水力特性参数： ( h d ) 。= ，( 妒，)( 2 9 ) 一g d 2 这里进水口的方向被作为水力系统中的一个独立参数。 原始旋涡参数的运用主要依据对环流常数c 值的较准确估算和临界状态时 进水口c 的值。在示意图2 2 中，展示了进水口完整的水力系统，从中可以看出 进水口一般旋涡、临界状态旋涡、持续吸气旋涡环流常数c 值的不同，分别用 c 。，c ，c 。来表示。 第二章临界淹没深度理论 进口段 f f ：0 二 内d 图2 2 进水口完整的水力系统的示意图 c o 2 2 临界淹没深度的决定参数 对决定临界淹没深度参数最早的研究是b e r g e 在1 9 6 6 年进行的，他研究了 垂直向上的进水i e i ，进水口的几何尺寸不对称且入流是恒定的。他提出了所谓的 “折射线法”来测量并决定临界状态旋涡。 到目前为止，有4 个关于导致进水口环流水力特性参数广泛的研究成果是较 实用的。在实验中调整了不同的进水口方向为了可以改变初始环流的分布范围。 试验细节在原著中有具体阐述，或在k n a u s s “】在1 9 8 3 年所作的研究中也有说明。 为了对不同实验成果进一步的进行研究、讨论和对比，注意测量环流的不同方法 和对进水口临界淹没状态的定义是十分重要的。这里所提到的4 个研究包括了3 个主要不同的进水口方向，流体的粘滞力和表面张力的影响也考虑在其中。 将不同研究成果进行分析后转化为所定义的特性参数后，我们可以得到不同 进水口相关临界淹没深度和旋涡参数之间的关系式： d a g g e t t k e u l e g a n l ”】：孔口旋涡流 河海大学硕士学位论文 r 2 f 3 0 0 万c j a i ne ta 1 3 0 l ：垂直向下的进水1 3 ( h d ) 。，= 8 瓯 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) 因为这里计算c 时用根据进流方向角口。来计算的，故方程中c 代表c 。 a n w a re ta 1 1 4 2 1 ：侧向水平进水口 一086(o054(hd)cr+0139)2：与 ( 2 1 2 ) 船i d ) 。+ o 5 乒、胁j a n w a r a m p h l e t t 5 2 l ：垂直向上的进水口 些警型塑掣： ( ( 饥+ o 5 f 面j 这些方程经估算并以点绘线形式在图2 - 3 中给出。由图中直线和曲线的特性 我们可以得到以下结论：对于所有型式的进水口，临界淹没深度和旋涡参数之间 近似成线性关系。在考虑测量或计算环流常数和观测临界淹没状态的困难度及不 确定性后，下式简化是可行的，简化方程中的比例因子七代表了线性关系的梯度。 ( 矗d ) 。= k = k a y 。c( 2 一1 4 ) g d 2 上届 第二章临界淹没深度理论 图2 - 3 对( h d ) 。= ，( 旋涡参数和进水口类型) 的比较 在对图2 - 3 不同曲线进行比较后，得到与比例因子七相关的另一种含义：当 旋涡参数值相同时，所需要的淹没深度会由于进水口型式的改变而不同，所以， 方程( 2 1 4 ) 中的比例因子七代表了进水口方向的影响。 2 3 进水口方向对临界淹没深度的影响 用旋涡尾部长度和旋涡中心厚度来表达旋涡形状可以说明在临界状态时进 水口方向对临界淹没深度的影响，见示意图2 - 4 所示 2 9 1 。观察图2 4 从左到右， 我们可以发现旋涡尾部逐渐变长且旋涡中心厚度也增大，对于不变的淹没深度， 旋涡强度在增强。由研究成果可得知，旋涡的尾部越长则旋涡中心的宽度也越大。 因此与进水1 3 型式相关，其上方的旋涡半径是决定旋涡类型的特征参数。 河海大学硕士学位论文 图2 4 不同进水口方向的旋涡形状 2 4 关于进水口旋涡的评价和讨论 一、旋涡形状和旋涡参数之间的一般关系 r a n k i n e 提出了所谓的“组合旋涡”概念，它是假设旋涡系列可能是由旋转 中心和周围的环流部分组成。区分两种不同形式的是以旋涡中心宽度2 r 1 来划分 的，如图2 5 所示。这种形式的结果是在整个范围内将切线流速( v ) 分布简化 后得到的。简化的含义指认为的“实际”中心直径2 _ 不完全是真实值。 2r 一 卜一一旋涡区 i - 一d ，j ：旋涡深度 在临界状态下：h hc r 图2 - 5 组合旋涡示意图 2 3 第二章临界淹没深度理论 组合旋涡的深度一用表达式给出为：矗2 或鲁= 嘉 如果将进水口与旋涡相关联，则方程( 2 - 1 4 ) 为： c _ 广 ( 2 - 1 5 ) 瓜打 在这里d ，表示旋涡中心相对宽度，h i d 表示旋涡中心相对高度。 方程( 2 1 5 ) 说明了旋涡形状两个典型尺寸和旋涡参数间的关系，方程适用 于不吸气旋涡和吸气旋涡的情况。将方程( 2 - 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 组合可得： 1 三 ( ，1 d ) 。= ( h d ) 。2 ( 2 1 6 ) k 方程( 2 1 6 ) 说明当旋涡中心相对宽度与旋涡尾部的相对长度的平方根成比 例时，临界淹没深度和旋涡参数间成线性关系也是成立的 1 5 】。如果在临界情况下 能将 d 和h l d 测量或计算出，那么就可以得到比例因子k 的值。 二、在临界情况时旋涡中心宽度和长度的关系 图2 6 给出了a m p h l e t t l 6 2 年对水平侧式进水口的研究成果。图中将d 和 h d 的值以点绘线的形式列出。 图2 7 给出了试验结果，可得到以下结论：对于每条( h d ) 。线，实际的旋 涡中心相对宽度值接近于常数，其周围的一些散点也符合( d ) 。与 d 成比 例的关系，结果是源于旋涡形状的两个参数问是成线性关系的。图中直线不经过 原点，这可以从观察试验的组成结构中得到解释。为了使不同环流的旋涡中心在 进水口前约1 5 d 的地方，需要安装叶片来实现。如果为了让旋涡尾部获得足够 的长度，用这个距离值代替h l d 值，则直线经过原点，图2 7 中的方程式( b ) 给出了它们之间的关系。 = 后 一d 河海大学硕士学位论文 环流参数 固定旋涡中心( 通过实验装置 02o j005 由方程( 5 ) 变化而得 一0 , 6 数量赢“8 ，冀；。：! dq 图2 - 6 环流对产生吸气旋涡流量系数的影响 ( a m p h l e t t ，1 9 7 6 ；a n w a re ta 1 ，1 9 7 8 ) 图2 7 临界状态下( i d ) = ，( 万万) 计算结果 ：坞伯 j潍 叫 o o 0 0 0 o 口o o 0 o o o o o q 第二章临界淹没深度理论 直线的梯度是水平侧式进水口的特征值，方程( 2 - 1 6 ) 中的比例因子值为 三兰0 0 1 1 ( 2 1 7 ) 七 对于垂直向下的进水口其相应的值可由j a i ne ta 1 【划得到的临界淹没深度方 程整理并与方程( 2 1 5 ) 对比到得，参考k n a u s s 1 5 1 得到的最后成果，k 值为： 三：0 0 0 4 三( 2 1 8 ) k c 。 a m p h l e t t 6 2 】进行了专门的研究，安装了导叶使所产生的不同旋涡大致出现在 同一地方，从而c c 。= 2 2 ，则方程( 2 1 6 ) 中比例因子k 值为： 三兰0 0 0 9 ( 2 - 1 9 ) k 从图2 3 也可以看出垂直向下进水口的梯度值k 也比水平侧向进水口的大。 三、临界淹没深度与旋涡参数关系 i m p h l e t t 6 2 】以 。= ，( c ) 的形式给出了水平侧式进水口和垂直向上进水i z l 的 研究成果，他定义h 。与c 之间成线性关系。将h 。= f ( c ) 转化成 3 ( h d ) 。= f ( c 面i ) 形式后，我们可以直接得到进水口在临界状态时其点绘线 的梯度k 值，图2 - 8 给出了它的两个例子，k n a u s s “】作了进一步的研究。 我们可以发现，试验是取相同的旋涡参数在不同的淹没深度下进行的，这要 和旋涡形成的特殊性质、旋涡测量以及旋涡发生吸气时l 临界状态的判定相关。因 此将边界线放在所观察到的分散点上方是合适的。这样我们就可以对试验模型所 需要的淹没深度结果做出较准确的判断，如果对于同一种流态下，不同的临界淹 没深度都符合，则用较大的作为设计值。 河海大学硕士学位论文 垂直向上进水口( a m p h e t t 1 9 7 8 ) 导j 。， 直线边界线 0 。r 7 57 i i 梯度 无萜气 ， 二， ， ，。 1 0 i”了5 一 一 k 一 ，捧d b d 2 1 ( 离墙距离) d ( 米) 旋涡参数j i 吾霄 不同进水口直径： 口00 7 6 0 01 0 1 6 图2 - 8 对梯度i 值的直接估算 从图2 8 中我们首先可以确定以前已经得到的水平侧向进水口的梯度值k ， 其次可以得到以前未确定的垂直向上进水口的梯度值k 为： 1 兰o 0 1 3 5( 2 - 2 0 ) k 在图2 - - 9 中，给出了临界状态时具体的边界线，以及发生旋涡时的不同曲线 与未吸气初始直线的对比。 h ，d 俐删 删| l 毵篓 未参l ； 川 | 型 岁 ：，二，7 v 9 d c 一， 7 ，二一一一一 一佰d 3 1 ； 图2 - 9 临界状态的具体边界线 2 7 第二章临界淹没深度理论 图2 - 1 0 列出的所收集的数据考虑了各进水口方向妒下的旋涡形状参数l l k ， 从中j 。得到以下关系： 丢= 也。( - + m 守o o 。( ，+ 芬 ( 2 - 2 1 ) 此关系给出了分析方程( 2 - 1 4 ) 中梯度l j 的取值。 这个方程第一个优点是对倾斜进水1 2 k 值的补充，第二点是它对k 值简单的 表达方式可将已经研究的进水口类型的成果转化到还没研究的类型( 例如： k o k ，2 兰1 2 5 及k o k 。兰1 5 ) 。 旋涡形状参数l k = ( r l d ) 盯五7 矿( 临界状态下) o 0 1 5 0 ，0 1 0 0 0 0 5 1 ，k 0 i t 2 兀 图2 1 0 旋涡形状参数与进水e l 方向之间的关系 01 8 ( b e r g e ，1 9 6 6 ) 0 1 3 3 ( a m p h l e t t ，1 9 7 8 ) 0 1 i i ( a m p h l e t t ，1 9 7 6 ) 0 0 8 9 ( j a i n 修正) 另外，结合影响临界状态进水口方向的比例因子k ，我们可以建立相关临界 淹没深度的两个主要方程鼢d ) 。= k f 干r ( h d ) 。= k n 。f ) 间的数学关系，且它 决定了临界环流参数的值，= k 七是两个比例因子的比值，现k 取g o r d o n 2 1 】 由原型观测中得到( 如对于水平侧向进水口非对称进流时k ：2 3 ) ，k 由图2 1 0 取得，当妒= 万2 时k 兰9 0 ，那么临界环流参数n ，= o 0 2 5 。参考图2 2 ，在旋涡 区临界旋涡角定义为t g a 。= v 。i | 缶界环流参数一般表达为n 。= 喀口。p d ) ， 当进水口r i d = 1 2 时，n 。= t g a 。2 ，取环流参数。= 0 0 2 5 ，则对于g o r d o n 河海大学硕士学位论文 对原型水平侧向进水口临界旋涡角口。兰2 9 。 上述研究成果，是在建立相关临界淹没深度和用旋涡特性参数( 组合无量纲 数) 表达环流参数两者间关系的基础上，并考虑进水口方向的影响后得到的。 方程( 2 1 4 ) 对于“适中”的环流和进水口弗汝德数在设计范围内都成立。 2 5 其他因素对i 临界淹没深度的影响 从方程( 2 1 4 ) 看出环流常数c 是与进流形式有关的，根据本章引言部分， 我们可以知道对于进流方向影响的研究还不够充分。 到目前为止，在方面还没有更深的研究成果，我们在进行相关设计时要考虑 进流方向因素对旋涡产生的影响。 减少最小淹没深度的最有效一个方法是减少离墙间距，如图2 一l l 所示。 m 0 m i n 离墙距离 图2 11临界淹没深度与离墙距离之间的关系 为了避免产生吸气旋涡，离周围边墙一定距离的不同位置的进水口都需要相 同的最大淹没深度，布置在墙内的的进水口则需要最小的淹没深度。在最大和最 小值之间的临界淹没深度是随着墙间距的增加而线性变大。 其它外形进口对进水口临界水深的影响的研究还不多，除了所研究过的圆形 进口，要将其成果应用到双向水流进出水口需要利用试验来研究。由于许多电站 安装了拦污栅和闸门，进水口与矩形或正方形最接近，可以很好地表示交叉部分 的高度。 第二章临界淹没深度理论 2 6 本章总结 本章分析讨论了设计进水口所需的临界淹没深度公式及其应用，得到的结 论，是大多数情况下对进水口的临界状态没有作出准确的判断。但淹没深度不是 判断进水口前水流状态的唯一指标，改善进水口进流形式以减小环流的影响可能 会更有效，进水口设计所遵循的基本方法是尽量消除产生旋涡的来源。我们可以 根据图2 一1 2 中给出的建议来计算所需要的淹没深度值，图中给出了g o r d o n 2 1 1 ， p e n n i n o h e c k e r 2 8 1 ，h e c k e r 3 1 1 和k n a u s s 1 5 】对大量原型进行观测研究后所得到 的进水口前所需要的临界淹没深度。用水力模型来研究和校核进水口临界淹没深 度将作为一个重要手段。控制较好的来流状态、合理布置和选择进水口位置及尺 寸、利用消涡装置都可以减小进水口所需要的淹没深度。下一章中将通过国内某 抽水蓄能电站双向水流进出水口水力模型试验对其各项水力特性进行研究，特别 是进水口临界淹没深度将重点讨论，通过模型试验的成果进行具体的分析和讨 论。 图2 一1 2 合理进流情况下所建议的淹没深度( 未使用消涡装置) f r 河海大学硕士学位论文 第三章双向水流进出水口水力损失系数及流场 3 1引言 前文阐述了双向水流进出水口各项水力特性并着重分析了临界淹没深度的 基本理论，本章结合模型试验，对双向水流进出水口的水力损失系数及流场地进 行具体的研究。 要顺利地完成试验，充分的准备显得尤其重要，设计试验方案、在试验室中 建立试验模型水库、准备试验中所需仪器是最主要的工作。进一步收集国内外有 关技术资料，研究和消化吸收现有关于双向水流进出水口水力特性方面的文献资 料，并确定试验研究的具体内容。 试验原型抽水蓄能电站由上、下水库、输水系统、地下厂房及开关站组成。 上水库挡水建筑物采用混凝土面板堆石坝，最大坝高( 坝轴线处) 1 3 1 8 m ，水库 总库容1 1 3 6 万m 3 。下水库利