（水力学及河流动力学专业论文）洞塞式内流消能工的水力特性研究.pdf

摘要 洞塞式内流消能工的水力特性研究1 水力学及河流动力学专业 博士研究生：田忠指导老师：许唯临教授 摘要 洞塞式消能工是利用水流的突缩突扩作用进行消能的消能工，本文在总结 前人研究的基础上，应用试验、数值模拟和理论分析手段研究了顺直洞塞、台 阶洞塞和收缩洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能机理、空化特性以及多级洞塞 泄洪洞的设计流程，并探索把洞塞式消能工应用到大型水电工程的可能性，得 出的结论包括： 1 、通过实验及数值模拟研究，得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的 洞塞内及洞塞后的压强恢复长度，得出了洞塞出口面积收缩比与压强恢复长度 的关系。 2 、得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的水头损失系数的表达式。研 究表明，雷诺数对水头损失系数几乎无影响。 3 、研究表明，台阶洞塞最佳的辅、主洞塞直径之比应为1 1 ，辅助洞塞 的长度应为洞塞前管道直径的0 4 倍。 4 、论文认为，理想的收缩式洞塞体型应使洞塞进、出口处的压强相等， 数值计算解雇得出了收缩洞塞最佳的进、出口直径比与洞塞出口面积收缩比的 关系以及收缩洞塞长度与水头损失的关系。 5 、应用激光流速仪对三种体型洞塞的时均流速和脉动流速进行了测量， 结果表明：在洞塞内部，时均流速在洞塞进口0 1 3 3 倍管道直径后分布均匀， 洞塞出口后的主流再附着点位于洞塞出口后的1 2 倍管道直径处，洞塞出口 1 国家杰出青年辩学基金项目( 5 0 3 2 5 9 2 8 ) 。国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅 砻江水电开发联合研究基金项p ( 项目批准号5 0 5 3 9 0 6 0 ) 联合资助 i 四川大学工学博士学位论文 3 倍管道直径后的断面流速分布均匀；总体而言，在回流区以外，径向流速均 较小，约为轴向流速的1 0 。三种体型洞塞的脉动流速的大小为时均流速的 1 0 3 0 ，在洞塞段及洞塞后扩散段较大，最大值位于时均流速梯度较大的 剪切层附近，对同一断面而言，轴线上的脉动流速小于两侧的脉动流速。 6 、应用动量积分方程建立了洞塞的水头损失系数与洞塞面积收缩比的理 论公式，该公式与试验值吻合良好。 7 、研究表明，洞塞突缩消能的原因有三：一是由于洞塞进口前形成较大 的流速梯度，流层之间的强剪切作用构成能量耗散，二是洞塞进口角隅存在一 逆时针漩涡，三是洞塞进口处的高流速带以类似于射流的形式冲击环境流体， 与环境流体摩擦、混掺，产生能量耗散；洞塞突扩消能的原因是由于突扩水流 形成强紊动、强剪切射流以及产生大尺度漩涡，从而在射流内部、射流边界层 及漩涡区产生素动混掺作用。 8 、对洞塞脉动压强特性的分析表明：顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的 脉动压强最大点均位于洞塞进口附近，在洞塞内逐渐变小，水流突扩后，脉动 压强有所增加，后逐渐恢复稳定；面积收缩比越小，脉动压强越大；对同一面 积收缩比，顺直洞塞的脉动压强最大，台阶洞塞次之，收缩洞塞最小；壁面脉 动压强虽然不完全按正态分布，但其偏离程度不大；洞塞进口附近脉动压强的 主频不明显，但5 h z 以下的低频明显占优势。 9 、采用实验和数值模拟相结合的方法研究了不同体型洞塞的空化特性， 得出了顺直洞塞、台阶洞塞和收缩洞塞的初生空化数的表达式。 l o 、本文提出了不同类型洞塞的适用条件，给出的多级洞塞泄洪洞设计流 程可作为洞塞体型设计的的参考。 1 1 、本文针对某大型水电站5 号非常泄洪洞改建工程，在l ：5 0 单体模型 上先后进行了常压和减压试验，结果表明，应用多级收缩洞塞能有效地达到消 能目的，洞内也不会发生空化，较好地解决了高水头、大流量导流洞改建过程 中的消能问题。 关键词：洞塞；初生空化数；消能工；水力特性；混合模型 摘要 s t u d yo n t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f p l u ge n e r g yd i s s i p a t e r m a j o r ：h y d r a u l i c sa n dr i v e rd y n a n l i c s p h dc a n d i d a t e ：t i a nz h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f x uw e i l i n g a b s t r a c t b a s e do ns u m m a r i e so fp r e d e c e s s o r sr e s e a r c h f i n d i n g s ，t h eh y d r a u l i c c h a r a c t e d s t i e so ft h r e et y p e so fp l u gw h i c ha r cl i n e a rp l u g ，s t e p p e dp l u ga n d g r a d u a l l yc o n t r a c t e dp l u gw e r es t u d i e db ym e a h $ o fe x p e r i m e n t , n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s r e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e de n e r g yd i s s i p a t i o n r a t e ，t h em e c h a n i s mo fe n e r g yd i s s i p a t i o n , i n c i p i e n tc a v i t a t i o nn u m b e ro ft h et h r e e t y p e so fp l u g n ed e s i g np r o c e d u r eo fm u l t i - s t a g ep i n gs p i at u n n e lw a sp u tf o r w a r d a n dm o d e lt e s to fp l u gs p i l lt u n n e lo fah y d r o p o w e rp r o j e c tw a sd o n ei nt h i s d i s s e r t a t i o n m a i nr e s e a r c hf i n d i n g s 辩a sf o l l o w s ： 1 、k n g t h so fp r e s s u r er e c o v e r i n gi np l u ga n da f t e rp l u gw e r ee x p e r i m e n t a l l y a n dn u m e r i c a l l yg a i n e d n l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el e n g t ha n da r e ac o n t r a c t i o n r a t i oo f p l u gw a sg i v e l l 2 、j 1 1 1 ch e a dl o s sc o e f f i c i e n t so ft h r e et y p e so fp l u gw e r ef o r m u l a t e d 田圯 r c n o l d sn u m b e rh a sf e wa f f e c t i o no nt h eh e a dl o s sc o e f f i c i e n t s 3 、a sf a ra ss t e p p e d p l u gw a sc o n c e r n e d t h eb e s tr a t i oo fd i a m e t e ro fa u x i l i a r y p l u gt ot h a to fm a i np l u gs h o u l db e1 1 n 屺b e s tl e n g t ho fa u x i l i a r yp h i gs h o u l d b e 0 4d m e so ft u n n e ld i a m e t e r 4 、a ni d e a lr a t i oo fi n l e td i a m e t e rt oo u t l e td i a m e t e ro ft h eg r a d u a l l y c o n t r a c t e d p l u ge x i s t sa n d t h ea u t h o rf o r m u l a t e dt h er a t i o 四川大学工学博士学位论文 5 、t i m ea v e r a g ev e l o c i t ya n df l u c t u a t i o nv e l o c i t yo ft h ep l u g sw e r em e a s u r e d b yl d v t h er e s u l t sa l r ea sf o l l o w s ：t h et i m ea v e r a g ev e l o e i t yb e c o m e su n i f o r ma f t e r 0 1 3 3t i m e st u n n e ld i a m e t e rf r o mp l u gi n l e t t h et i m ea v e r a g ev e l o c i t ya f t e r e x p a n s i o nb o _ , c o m c $ u n i f o r ma f t e r 3t i m e st u n n e ld i a m e t e rf r o mp l u go u t l e t t h e r e a t t a c h m e n tp o i n t sa f t e ro u t l e to ft h ep l u ga f e1 - 2t i m e sd i a m e t e ro ft h et u n n e l f r o mp l u go u t l e t i ng e n e r a l ，t h er a d i a lt i m ea v e r a g ev e l o c i t yb e y o n dc i r c u l a t i o n a r e ai s1 0p e r c e n to ft h a to fa x i a l t h ef l u c t u a t i o nv e l o c i t yi s1 0 - 3 0p e r c e n to ft i m e a v e r a g ev e l o c i t ya n dt h ei l l a x i m t l mo fi tl i e si nt h e8 1 e 1 1 w h e r et h e 黟a do fv e l o c i t yi s r e l a t i v e l yh i g h a sf a r 髂t h es a m e ：s e c t i o ni sc o n c e m e d t h ef l u c t u a t i o nv e l o c i t ya t a x i si sr e l a t i v e l ys m a l l e rt h a no t h e rp o i n t 6 、t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a dl o s sc o e f f i c i e n ta n da r e ac o n t r a c t i o nr a t i o w a st h e o r e t i c a l l yd e d u c e db yu s i n gm o m e n t u mi n t e g r a le q u a t i o n ，a n dt h er e s u l t s a c c o r dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 7 、t h em e c h a n i s mo fe n e r g yd i s s i l z l a t i o ni na b r u p tc o n t r a c t i o na r e ac a nb e d e s c r i b e di l l sf o l l o w i n g ：f i r s t l y , e n e r g yd i s s i p a t i o no c c u r sb e t w e e ns h e a rl a y e r sl l e a r t h ei n l e to ft h ep l u gb e c a u s eo fh i g hv e l o c i t yg r a dt h e r e s e c o n d l y ，t h ev o r t e xh e a l t h et o m t i t o fp l u gi n l e t d i s s i p a t e sap a r to fe n e r g y ，a n dt h i r d l y , t h eh i g hv e l o c i t y c l u s t e rn e a rt h ep l u gi n l e ti m p i n g e se n v i r o n m e n t , a n ds o ，f r i c t i o na n dm i x i n ga c t i o n p r o d u c eb e t w e e nt h ef l o wl a y e r 8 、t h em a x i m u mr m so fw a l lf l u c t u a t i o np r e s s u r eo c c u r sa tj u s ti r d e to ft h e p l u ga n dd c c e a s e 8g r a d u a l l ya l o n gt h ep l u gw a l la n d , i n c r e a s e ss l i g h t l ya f t e r e x p a n s i o na n dt h e nh i , c o n i e ss t a b i l i t y t h es m a l l e rt h ea r e ac o n t r a c t i o nr a t i oi s t h e h i g h e rt h er m so fw a l lf l u c t u a t i o np r e s s u r ei s t h er m so fw a l lf l u c t u a t i o np r e s s t l r e o ft h el i n e a rp l u gi sh i g h e rt h a no t h e rt w op l u g sw h e nt h eo u t | e ta r e ac o n t r a c t i o n r a t i o sa r es a m e t h ef l u c t u a t i o nd i s t r i b u t i o ni sa p p r o x i m a t et og a u s sd i s t r i b u t i o n t h ed o m i n a t i o nf r e q u e n c yo f f l u c t u a d o n p r e s s u r ei sb e l o w5 h z 9 、t h ei n c i p i e n tc a v i t a t i o nn u m b e r so fd i f f e r e n tp l u g sa f ce x p e r i m e n t a l l ya n d n u m e r i c a l l yg a i n e d 1 0 、t h ed e s i g np r o c e d u r eo fm u l t i - s t a g e p l u gs p i l lt u n n e lw a sp u tf o r w a r d i v 摘要 1 1 、m o d e lt e s ti nr e l a t i o nt oe n e r g yd i s s i p a t i o na n d i n c i p i e n tc a v i t a t i o n n u m b e ro fp l u gs p i ut u n n e lo fa h y d r o p o w e rp r o j e c tw a sd o n ea t1 ：5 0o r t h o d o x m o d e l t h er e s u l t ss h o wa p p l y i n gg r a d u a l l yc o n t r a c t e dp l u g st ot h es p i l lt u n n e lc a l l s o l v et h ee n e r g yd i s s i p a t i o np r o b l e ma n dc a v i t a t i o nw i l ln o to c c u ra to p e r a t i o nh e a d k e y w o r d s ：p l u g ；i n c i p i e n tc a v i t a t i o nn u m b e r ；e n e r g yd i s s i p a t e r , h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c ；m i x t u r em o d e l v 四川大学工学博士学位论文 英文字母 q “ h d 工 p p m p f c r 儿 p ， r r e c c 。 主要符号表 流量 时均流速 脉动流速 管道直径 洞塞长度 时均压强 最小时均压强 脉动压强 时间 压强系数 大气压 饱和蒸汽压 洞塞半径 水流雷诺数 洞塞面积收缩比 洞塞进口收缩断面收缩比 v i 主要符号表 希腊字母 卢 f f f w o l 善 p 6 截面积 紊动能 弗氏数 偏态系数 峰态系数 洞塞进口水流收缩断面面积 动力粘滞系数 紊动粘性系数 紊动切应力 壁面切应力 初生空化数 水头损失系数 流体密度 紊动能耗散率 边界层厚度 a 七 乃 g 巳 屯 第一章回顾与评述 第一章回顾与评述 本章首先介绍论文的选题背景及论文研究的意义，接着对洞塞式内流消 能工( 以下简称洞塞式消能工或洞塞) 的定义和研究历程进行简要的介绍，然 后综合评述前人有关洞塞式消能工水力特性的研究成果，最后，针对前人的研 究空白和现阶段洞塞式消能工研究需要解决的问题，提出本文的研究内容及技 术路线 1 1 问题的提出 1 1 1 我国水电建设面临的任务 我国是水能资源丰富的国家，水能蕴藏量l 万k w 以上的河流有3 0 0 多条， 我国水能蕴藏量为6 7 6 亿k w ，水能蕴藏居世界第一，约占世界总量的1 ，6 ，相 应的年发电量达6 0 2 万亿k w h 。建国以来，特别是二十世纪八十年代以来，我 国的水电建设取得了巨大的成就，到2 0 0 2 年底，全国常规水电已开发装机容 量7 8 8 5 0 m w ，年发电量2 7 l o 亿k w h ，分别占经济可开发装机容量的2 0 和经 济可开发年发电量的1 5 6 ，占全国总电力装机容量的2 2 1 ，包括在建项 目，全国水电装机容量占经济可开发装机容量的3 2 册。我国水电建设与各地 的经济发展紧密相关，经济发达的地区水能资源少，开发程度高，而经济落后 地区资源量大，开发程度低。整个东部地区1 3 个省( 直辖市) 经济可开发 3 7 5 8 9 m w ，已在建容量2 1 2 4 0 m w ，开发程度达到5 6 5 ，中部地区6 个省经济 可开发5 3 9 7 4 m w ，已在建容量3 9 8 8 9 m w ，开发程度为7 4 ，而水能资源特别 丰富的四川、云南、西藏开发程度仅为1 6 、1 1 和5 。 按照电力发展和。西电东送”需要、大型河流开发进程、大中型水电项 目规划和前期工作深度以及小型水电站合理建设规模等，制定的水电中长期发 展目标表明：到2 0 1 0 年水电装机容量达到1 6 亿k w ，占电力总装机容量的2 7 四川大学工学博士学位论文 ，水电开发程度达4 0 ；到2 0 2 0 年水电装机容量达到2 7 亿k w ，占电力总装 机容量的2 9 ，水电开发程度达6 8 ( 见图1 ) 7 1 。按区域划分，至1 2 0 2 0 年， 四川、云南、贵州的水电开发总装机规模分别要达至1 j 6 4 6 0 0m w 、5 3 1 0 0m w 和1 6 3 0 0 m w ，开发程度分别为6 4 、5 4 和8 6 。这意味着今后平均每年要 新增水电装机1 0 0 0 多万千瓦，在今后的2 0 2 5 年的一段时期内，我国水电开 发将迎来一个高峰1 8 1 ，而且主要集中在我国的西南地区。因此研究我国西南地 区水电建设所面临的技术问题具有现实意义和紧迫性。 ：2 0 0 z , q - 0 5 苹z o x o 年0 0 军 图1 1 1 我国水电开发规划图哪 ! 1 2 内流式消能工研究的意义 我国西南地区位于我国三大阶梯地形的第一级至第二级阶梯的过渡地 带，河流比降大、流量大、河谷狭窄，适合建设大型水电工程，但由此产生的 泄洪消能问题也特别突出。传统的消能工( 挑流、底流、面流和戽流消能工) 一般是把水流能量集中到泄水建筑物末端后，再利用下游的水体( 如水垫塘、 消力池或天然河道) 把水流聚集的动能转化为下游水体的内能和动能以达到转 化和分散能量的目的。相对于传统消能工，内流式消能工是在泄水建筑物( 如 泄洪洞) 内部，通过过流断面的突变或其他工程措施，人为的制造大紊动的旋 2 约的协o 第一章回顾与评述 滚，使水流的一部分能量转化为热能，从而达到降低水流出口能量、减少消能 建筑物投资、优化水工建筑物布置等作用。 内流式消能工一般有四种类型：孔板消能工、洞塞消能工、消力井和漩 流式消能工。孔板消能工是在泄洪洞内设置一级或多级混凝土环，束窄水流， 使水流流线在孔板前突然弯曲而后迅速扩散，在孔板后形成剧烈的旋滚以到达 消能的目的。其优点是结构简单、消能率高，缺点是孔板环锐缘处易发生空 化，其表面需要特殊材料保护，下游水位低时需要在孔板下游设置限流闸，以 提高孔板环处的压强。孔板消能工在我国黄河小浪底水利枢纽工程得到成功的 应用，小浪底工程在原导流洞内设置了三级孔板，把导流洞改建成了泄洪洞， 既节省了投资，又成功地解决了枢纽布置的困难。原型观测表明，孔板泄洪洞 的消能率与模型试验成果较吻合，在孔板处虽出现弱空化，但没有发生空蚀现 象。洞塞式消能工是在泄洪洞内设置一定长度的混凝土塞，塞内沿水流流线方 向开设一个或多个出水管( 或洞) ，利用水流的突缩突扩作用消能。除了具有 孔板消能工的优点外，洞塞式消能工还具有结构强度高，消能特性好等优点。 加拿大m i c a 坝在导流洞内设置了两个长分别为4 9 m 和3 7 m ，间距为1 0 4 m 的混凝 土塞，上游塞安装了按品字形排列的钢管，下游塞内并列三根钢管，构成了两 级洞塞消能工。消力井消能工是在竖井下部开挖直径较大、较深的消力井，一 般要求消力井直径d 1 2d ( d 为竖井射流直径) 。对于完全淹没竖井连接消力 井的泄水道消能率为3 0 5 0 。而自由掺气的消力井可达8 0 以上。消力 井虽然消能率极高，但井内水流紊动剧烈，脉动压力大，要求围岩整体性好、 强度高，适用于地质条件较好的工程。俄国的卡姆巴拉金水电工程中有两条泄 水道即采用此型消能工，进水口设两道平板闸门，门后设掺气跌坎，通过转弯 半径r 一- 3 0 m 的圆弧水道同竖井连接，下接直径1 0 o m 。高4 8 3 m 的消力井( 其中 洞下挖深1 0 o m ) 。漩流式消能工可分为两种体型，即水流绕竖井旋转下泄和 水流绕泄洪洞轴线旋转流动，即旋流竖井和旋流洞，后者结构复杂，在工程上 较实用的是单旋消能工。漩流式消能工消能率高，适用于下游尾水位低的情 形，但洞内流态复杂，需要解决洞内摔气问题。我国四川沙牌水电站导流洞改 建工程由常规压力短进水1 ：3 、涡室以及旋流竖井组成，最大泄量2 4 5 m 3 s ，堰 上水头2 0 o m 。总水头9 0 o m ，竖井下部开挖5 o m 深的消力井，泄洪洞进口顶部 浇筑收缩压板并设通气孔，下游为明流，洞内消能率8 0 t g j 。 3 四川大学工学博士学位论文 相对于传统的消能工，内流式消能工有其显著的优点：其一，内流式消 能工能方便地与导流洞结合，从而优化枢纽布置，减小工程投资。其二，内流 式消能工能适应大流量，高水头工作条件，以小浪底工程为例，原导流洞出口 高程较低，泄洪水头高达1 3 0 m 1 4 0 m ，若把导流洞改建为明流泄洪洞，洞内 流速将达4 5 m s 4 8 m s ，这样高流速的含沙水流远远超出工程实践的范围 i 0 1 ，而改建后的孔板泄洪洞很好地解决了这一问题。其三，内流式消能工一 般在泄洪建筑物内完成消能，下泄的水流能量小，与下游河道能平稳衔接，能 减免泄洪雾化，减轻对下游河道的冲刷。其四，从环境水力学的角度而言，从 内流式消能工下泄的水流最大限度地减小了对原生河道的影响，降低了下游水 中气体过饱和状态的危险，而采用传统的消能方式，高水位下泄时，将空气中 的气体n 2 、0 2 、c 0 2 等气体吸入到坝下水体内，对坝下水体产生剧烈的曝气过 程，使下泄水中气体呈过饱和状态，水中溶解气体的增加，不仅会破坏水生生 物原有的生存环境，还会直接导致某些生物产生疾病，如溶解在水中的氮气等 进入鱼体内，在鱼的血循环中产生气泡时，鱼可因“气泡病”而死亡嘲。 正因为内流式消能工具有显著的优点，近年来，我国对内流式消能工的 研究十分活跃。洞塞式消能工是一种典型的内流式消能工，在国内，虽然大型 工程尚无采用洞塞式消能工的实例，但在国外，早在7 0 年代就有将导流洞改 建成永久式洞塞泄洪洞的先例【1 1 1 ，虽然改建的规模较小，但为洞塞式消能工 的广泛应用进行了有益的探索。最近几年的研究表明，洞塞式消能工具有流态 稳定、消能率高、结构简单、水流参数易于控制等特点，是一种简单高效的消 能工【1 2 1 对洞塞式消能工进行深入研究，对提高我国泄洪消能设计水平，为 即将兴建的大型电站提供技术储备具有重要意义。 1 2 洞塞式消能工的定义和研究历程 1 2 1 洞塞式消能工的定义 目前，对洞塞式消能工还没有统一的定义，国外有的文献称之为厚孔板 ( t h i c ko r i f i c e ) 、圆柱孔板( c y l i n d r i c a lo r i f i c e ) 、孔塞( p e r f o r a t e dp l u g ) 或 4 第一章回顾与评述 塞( p l u g ) 1 3 】【1 4 】 1 5 】 1 6 1 。m f o s s a 1 3 1 等人认为，在有压管道内设置一定厚度的 孔板，管道内的水流将出现两种流态，当孔板厚度较薄的时候，水流突缩后在 板内形成一个收缩断面，而后直接进入下游水体，如图1 2 1 ( a ) 所示；当孔 板厚度较厚的时候( 一般是大于0 5 倍孔口直径) ，水流在孔板内形成一个收 缩断面，而后附着在孔板壁流动，并在孔板后段发展成边界层流动，直至q 突扩 后进入下游管道，c h i s h o l m 把这种流动称为厚孔板流1 7 1 ，如图1 2 1 ( b ) 所 示。kr a m a m u r t h i 等人【1 6 1 按孔板的厚度以及雷诺数的不同，将孔板内的水流 分为三种形态；分离流( s e p a r a t e df l o w ) ，分离附着流( s e p a r a t e df l o w f o l l o w e db ya t t a c h m e n t ) 及空化流( c a v i t a t e df l o w ) ，前两种流态分别对应予 图1 2 1 ( a ) 和图1 ( b ) ，空化流是在厚孔板中，空化已充分发展，空化泡占 据厚孔板管壁四周，水流不再附壁流动的现象，当然，这种流态在水利工程中 是不允许出现的。以此为基础，笔者对洞塞式消能工作如下定义：洞塞式消能 工是指在有压管道内设置一定厚度的突缩突扩段( 厚度通常大于0 5 倍孔口直 径) ，通过水流的突缩突扩作用，在水体内制造强剪切、强素动作用进行消能 的消能工。这就是本文所指的洞塞式消能工。 图1 2 1 有压孔板流的两种流态 1 2 2 洞塞式消能工的研究历程 由洞塞式消能工的定义可以看出，洞塞式消能工实际是利用水流的突缩 突扩作用进行消能。1 7 6 6 年，b o r d a 第一次分析了突扩水流的水头损失8 1 ， 并提出了著名的b o r d a 公式，2 0 世纪4 0 年代以后，随着工业化的发展，突缩 突扩流广泛地应用到管道节流、流体量测、消能等领域中，而突扩型管道作为 扩散器、化学反应混合器、燃烧室、喷雾干燥器、集成电路散热器等，则更为 5 四川大学工学博士学位论文 广泛地应用在化工、制药、食品、生物医学、电器等领域【1 9 1 【捌【2 1 1 ，一直以 来，国外对扩散流的特性研究得比较充分，表1 2 1 列出了部分扩散流的研究 成果。在水利工程中，利用水流在洞内突缩突扩人为制造剪切摩擦漩涡进行消 能的研究始于2 0 世纪5 0 年代，并称之为压力消能工。2 0 世纪7 0 年代，加拿 大麦加坝( m i c ad a m ) 在直径1 3 7 m ( 4 5 f t ) 的导流洞内设置了两个分别为 4 9 m 和3 7 m ，间隔1 0 4 m 的混凝土塞，上游塞安装3 根按品字形排列的钢管， 下游塞内并列3 根钢管，分别有闸门控制，水流通过混凝土塞的突缩和突扩消 能，将水头1 8 0 m 的导流洞改建成永久的泄水底孔，为洞内消能进行了一次有 益的尝试和成功的实践。美国的n e wd o np e d r o 水库也设有一条采用压力式消 能工的泄水底孔。上述两个压力式消能泄水底孔是当时仅有的工程实践，但运 用几率很少，尤其是n e wd o np e d r o 底孔洞径仅3 m 多。尽管如此，这两个工 程为洞塞式消能工的广泛应用进行了有益的探索，尤其是加拿大麦加坝的洞塞 消能工的试验研究，全面研究了洞内的流速分布、消能率、脉动压强特性，初 生空化数等重要的水力参数，为导流洞改建洞塞泄洪洞提供了宝贵的经验。 1 9 8 5 年，中国黄河水利委员会与美国柏克德公司进行小浪底联合轮廓设计 时，美方专家基于过坝鱼道的灵感提出了利用孔板环在洞内逐级消能的设想， 经过长期不懈的研究和论证，提出了最终的工程实施方案，并得到了以两院院 士潘家铮为首的权威专家的认可。基于小浪底孔板消能工的成功应用，结合国 外的初期研究成果，2 0 世纪9 0 年代后期，我国倪汉根嘲、杨永全【1 2 l 、许唯临 1 1 2 2 3 1 、刘善均1 2 1 、董建伟伫3 1 、夏庆福 2 2 1 等研究人员创造性地提出在高水 头、大流量的泄洪洞中采用洞塞式消能工的设想，并进行了卓有成效的研究， 也为洞塞式消能工的深入研究提供了基础。 孔板式消能工已成功地应用到我国小浪底水利枢纽工程，在长期的研究 过程中，积累了大量的研究成果，了解洞塞与孔板的与联系区别，既可以借鉴 孔板消能工的研究成果，同时也可以加以区别。洞塞与孔板消能工的联系主要 体现在以下几个方面：洞塞与孔板同属于突缩突扩式内流消能工，其消能机理 均是通过强剪切作用把水流动能和势能部分地转化为热能和紊动能( 最终转化 为热能) ，从而达到消能的目的；在突扩段，水流均以射流的形式进入下游水 体，试验和数值模拟研究表明，两者突扩段流场结构相同，即在突扩段形成势 流区、混合区( 或称强剪切区) 和回流区三个大区，因此对孔板突扩段流动参 6 第一章回顾与评述 数的详细分析也同样适用于洞塞突扩段；在压力分布方面，管壁的测压管水头 均是在突缩处降低到最低值，尔后逐渐恢复到正常值，并与突缩前的测压管水 头有一压差，由于突扩区的流场结构相同，两者的压力恢复长度也应近似，因 此多级孔板的布置形式对多级洞塞的布置形式有重要的参考价值；孔板泄洪洞 有较详尽的原型观测资料【l 川，鉴于两者在消能机理、流场特性和压力分布等 方面的相似性，孔板洞的原型观测资料经分析后可作为洞塞泄洪洞设计的重要 参考。 洞塞与孔板的差别除了几何形状不同之外，孔板和洞塞的另一差别体现 在空化特性上，孔板消能工的强空化区位于孔板后的水体，设计中允许出现微 空化，而洞塞消能工的最低压强出现在洞塞进口的水流收缩断面周围，空化区 离壁面较近，因此设计空化数的标准应该比孔板的标准高。此外，孔板洞的空 化属于漩涡型空化，在空化发生的初始阶段，逐渐降低空化数的过程中，空化 发展的速度很慢，但是，当空化数降低到足够大的时候，空蚀就会出现瞵l ， 那么对于洞塞，空化的发展过程是否也如此? 这需要深入的研究。 以上回顾了洞塞式消能工的研究历程，并比较了洞塞式消能工与孔板消 能工的异同，明确了洞塞式消能工的研究内容。以下将前人对洞塞式消能工的 研究成果进行回顾与评述。 7 四川大学工学博七学位论文 表1 2 1 轴对称扩散流的试验研究列表 扩散角 作者 雷诺数收缩比 测量手段 测量物理量 ( 度) c h t u r v e d i1 5 3 0 比托管、测压管 u p ， 2 0 0 0 0 02 ( 1 9 6 3 ) 4 5 。9 0热线流速仪 ，- ，面 b a c k r o s e h k e 9 02 0 - 4 2 0 02 6 染色流动显示 x a ( 1 9 7 2 ) m o o n j r u d i n g e r l d a 一 u 9 02 8 0 0 0 01 4 ( 1 9 7 7 ) 流动显示 x k f r e e m a l i9 0 u ，u 2 3 0 0 0 0l d a ( 1 9 7 8 )( 喷嘴) h a m i n g 毗a l u 2 t v 2 。w 2u l p 9 07 2 0 0 02热线流速仪 ( 1 9 7 9 )u d u r r e te ta 1 1 9 ， 9 2 , v 2 ，u 。v ，“v 9 0舢l d a ( 1 9 8 4 ) 2 7 k h c z z a tc ta ll d a 9 2p y 29 面。万v 一 9 04 0 0 0 01 7 5 ( 1 9 8 5 ) 流动显示 工置 1 2 , 1 29 1 4 5 2 , u ，v ，w s z e z e p u r a 9 02 0 0 0 0 0 1 9 4u ) a - ，万，丽，面 ( 1 9 8 5 ) “2 v u w 2 , u v 2 , “2 w w e i s e r , n i t s e h e 6 ，1 0 ，1 4 。1 8 1 0 0 0 0 ，一u v ，一u ，一v 1 6 热线流速仪 ( 1 9 8 7 1 9 8 8 )2 2 5 , 4 5 ，9 0 7 0 0 0 0 t w9 工r m s t i e g l m e i e r “2 ，v 29 w 29 u ，v ，w 1 4 1 8 ，9 0 1 5 6 0 01 6l d a ( 1 9 8 9 ) 丽，一，h 。e ( ，) 8 第一章回顾与评述 1 3 洞塞式消能工研究回顾 1 3 1 洞塞式消能工消能特性的研究 1 3 1 1 突缩突扩流的消能率 消能工消能消能效率通常用水头损失系数；来反映，对洞塞而言，；为突 缩( 扩) 前后的压力差与流速水头的比值，即： 善= 蒜 ( 1 3 1 ) 式中a h 为突缩( 扩) 前后的压强差，v 为管道平均流速，对于突扩流，常取 突扩前的断面为参考流速断面，对于突缩流，常取水流收缩断面作为参考流速 断面。突扩流的水头损失系数常采用b o r d a - c a r n o t 公式，即 善= ( 1 一a ，a 2 ) 2 ( 1 3 2 ) a 、如分别为突扩前后的断面面积( 如图1 3 1 所示) 。对于突缩流： 善= ( 如，a c 1 ) 2 ( 1 3 3 ) 如、a 分别为突缩后以及水流收缩断面的面积。式( 1 3 2 ) 、( 1 3 3 ) 是经 典的流体力学关于突缩突扩流水头损失的描述。由式( 1 3 3 ) 知，求突缩流 的水头损失系数，关键是求丸，定义管道的面积收缩比为： 盯：生 定义水流收缩系数为： ( 1 3 4 ) q 2 丢 “s 鼬 乞一般通过试验求得，不同的学者对乞给出了不同的表达式，文献【1 3 1 给出的 表达式为： q = 丽丽而1 ( 1 3 6 ) 文献 2 0 】通过曲线拟合得出的巳的表达式为： 9 四jt i ：g 学工学博士学位论文 乞2 面面l 而- o 蕊司 1 3 7 ) 式( 1 3 7 ) 的试验范围为突缩面积比为0 1 0 9 。文献【2 6 】在面积收缩比为 o 2 o 5 范围内、洞塞长度为一倍洞塞直径的条件下给出的公式为： 铲而扬 n 3 名 当突缩面积收缩比为o 2 时，分别用式( 1 3 6 ) 、( 1 3 7 ) 和式( 1 3 8 ) 计算c ，其结果分别为0 6 3 6 、0 4 5 4 和0 9 3 8 ，产生差异的原因可能是试验条 件的不同，如试验雷诺数、突缩段的长度不同等，遗憾的是式( 1 3 6 ) 、式 ( 1 3 7 ) 的试验条件在文献中没有提及。另外，式( 1 3 6 ) 、式( 1 3 7 ) 中 计算突缩收缩断面的方法均是在完全突缩的试验条件下得到的，没有考虑突缩 后的突扩效应，对洞塞而言，在一定的洞塞长度范围内，突缩与突扩作用是相 互影响的。张建民等冽用数值模拟的方法研究了洞塞长度对水头损失系数的 影响，认为洞塞( 突缩段长度) 长度增加，消能率减小，即水头损失系数减 小，此结论也反映出突缩段几何形状对水流收缩系数、进而对水头损失系数的 影响。图1 3 2 反映了雷诺数对水头损失的影响，图中的数据是在直径为 1 1 0 m m 的管道中测得的、突缩管的直径为4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 r a m ，面 积收缩比为0 1 3 5 、0 2 0 7 、0 2 9 7 、0 4 0 6 、0 5 2 1 和0 6 9 2 ，突缩段长2 m ，从图 中可以看出，在高雷诺数下，雷诺数对水头损失系数的影响不显著，这也被 m f o s s a t ”1 、j o s e p hk a t z 嘲、b c k i m 2 9 1 以及g u o h u ig 姐洲等人的试验所证 实。 + a 2 图1 3 1 突扩流和突缩流的典型流速断面 1 0 第一章回顾与评述 o 04 03 o2 ol 02 04 0 6 0 8 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 02 2 0 ； u p $ 1 r e o m r e y n o l d sn u m b e r # 1 0 一、 图1 3 2 水头损失系数与雷诺数的关系啪1 1 3 1 2 突缩突扩流能量转化过程 早在1 9 4 6 年，k a l i n s k e t 3 0 l 便开始研究管道渐变流及突扩流的能量转化过 程，试验段管道直径从2 7 5 i n 扩散到4 7 5 i n ，扩散角度为7 5 0 、1 5 。、3 0 0 和 1 8 0 0 ，试验研究了两种流量下的水流特性，通过对时均流速分布、突扩前后 压力的变化以及紊动参数的分析，认为能量损失的大部分都因为水体的强剪切 作用而转化为热能。其后的研究者通过对突扩流场的详细测量认为突扩后的流 场可细分为以下几个区，即势流核区、混合区、回流区、附着区和恢复区以及 二次回流区【3 l 】，如图1 3 3 所示。i 9 6 3 年m c c h a t u r v e d i 3 2 1 在研究管道突扩 流时，假定水的密度为常数、不考虑重力的影响、沿径向的时均速度为零、平 均速度恒定以及认为相对与高雷诺数下的雷诺应力，粘性剪切力可以忽略，在 此条件下推导了动量方程和能量方程的积分形式，并通过试验研究认为：扩散 段水体能量主要以紊动形式体现，又通过涡的剪切作用，最终转化为热能。高 建生等人 3 3 1 在研究孔扳消能工时认为，孔板后的流场分为三个区：势流区、 混合区( 强剪切区) 和回流区，在混合区，流速梯度大，紊动切应力大，是消 能的主要区域。s s p a n 瞄】认为孔板泄洪洞主要通过两种方式消能，其一是通 过孔板环附近的压力骤降以及压力的强烈脉动，其二是通过孔板剪力流处的大 量的漩涡以及孔板下游的漩涡消能，两者都与孔板的几何形状及洞内流速有 关。对于突缩流的能量耗散，文献 3 4 】认为主要发生在水流收缩断面以后的扩 展流动中，p r b u l l e n 等唧l 认为突缩流的能量耗散应考虑三个区域，一是管道 四川大学工学博士学位论文 均匀流断面到突缩断面，这一段主要是突缩断面前的角涡消能：二是从管道突 缩断面到水流收缩断面，三是水流收缩断面以后的扩展流动区。 综合前人