一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法与流程

本发明属于水利水电工程泄洪消能技术领域，具体涉及一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法。

背景技术：

水平旋流泄洪洞作为一种常规的消能工，具有进口布置设计灵活、消能率高、出口流速低，出口雾化和下游河道冲刷轻等特点，应用于国外前苏联罗贡水电站和印度特立水电站，并在国内首次成功应用于公伯峡水电站。但通过大量研究表明，当作用水头超过100m时，旋流洞内流速可能将超过40m/s，极易引发旋流洞内的空化空蚀，严重威胁旋流泄洪洞的运行安全。为解决上述问题，发明者提出了在旋流洞段末端设置旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法的水平旋流复合内消能方式。设置阻塞可显著增大旋流洞内壁面压强，对竖井与起旋器喉口的有压出流形成顶托，减小洞内流速，从而有效改善水流空化空蚀条件。阻塞可增大水流旋转角，增加水流旋转流程，增加旋流洞的沿程水头损失，因而可大幅提高消能率，使其在高水头泄洪时具有广阔的应用前景。

但是目前在公开的文献和现行规范中尚没有这种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法的设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，解决了现有技术中存在的常规的水平旋流泄洪洞极易发生空化空蚀破坏的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，旋流阻塞设置在水平旋流泄洪洞内的旋流洞末端，为旋流洞与下游退水洞的连接段，由阻塞收缩段、均匀段和扩散段组成。

本发明的特点还在于，

进入旋流洞的起旋器喉口平均流速应不大于35m/s，旋流阻塞孔口水流空化数应大于0.3，计算公式如下：

σ＝(p3+pa-pv)/0.5ρv²＞0.3 (2)

其中：v为起旋器喉口平均流速，为流速系数，p1为起旋器喉口压强，σ为水流空化数，p3为旋流阻塞孔口壁面压强，pa为大气压强，pv为汽化压强，H为起旋器喉口的总作用水头，ρ为水的密度，g为重力加速度。

阻塞收缩段与均匀段连接形式为渐缩式，渐缩段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<α<20°，扩散段与下游退水洞连接方式为渐扩式，扩散段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<β<15°。

起旋器喉口压强系数Cp1与旋流阻塞孔口前壁面压强系数Cp2之间的关系Cp1＝0.41Cp2^3/2+1.25、旋流阻塞孔口空腔半径比值r03/r02与旋流阻塞孔口压强比值p2/p3之间的关系p2/p3＝-1.12r03²/r02²+2.08、旋流阻塞孔口空腔半径相对比值(r02/R2)/(r03/R3)与旋流阻塞孔口傅汝德数Fr03之间的关系为(r02/R2)/(r03/R3)＝0.0001Fr03，共同确定进而得到阻塞孔口半径的。

阻塞收缩段的长度的取值范围为旋流洞径的1.5～2倍，即：1.5D<L1<2D，均匀段长度为阻塞洞径的2～2.5倍，即:2R3<L2<2.5R3，扩散段的长度为阻塞洞径的3.5～4.5倍，即：3.5R3<L3<4.5R3。

本发明的有益效果是，一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，为保证水平旋流洞内不发生空蚀空化、不出现高速水流问题等运行安全的前提条件下，通过建立的旋流阻塞几何尺寸与起旋器喉口压强、旋流阻塞孔口压强以及旋流阻塞孔口空腔半径之间的关系，进而确定旋流阻塞的体型与几何尺寸，进入旋流洞的起旋器喉口平均流速应不大于35m/s，旋流阻塞孔口水流空化数应大于0.3。

附图说明

图1是本发明一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法水平旋流泄洪洞体型布置示意图；

图2是本发明一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法中Cp1与Cp2^1.5的关系图；

图3是本发明一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法中r03/r02与p2/p3的关系图；

图4是本发明一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法中Fr03与(r02/R2)/(r03/R3)的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，如图1所示，旋流阻塞设置在水平旋流泄洪洞内的旋流洞末端，为旋流洞与下游退水洞的连接段，由阻塞收缩段、均匀段和扩散段组成。

进入旋流洞的起旋器喉口平均流速应不大于35m/s，旋流阻塞孔口水流空化数应大于0.3，计算公式如下：

σ＝(p3+pa-pv)/0.5ρv²＞0.3 (2)

其中：v为起旋器喉口平均流速，为流速系数，p1为起旋器喉口压强，σ为水流空化数，p3为旋流阻塞孔口壁面压强，pa为大气压强，pv为汽化压强，H为起旋器喉口的总作用水头，ρ为水的密度，g为重力加速度。

阻塞收缩段与均匀段连接形式为渐缩式，渐缩段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<α<20°，扩散段与下游退水洞连接方式为渐扩式，扩散段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<β<15°。

起旋器喉口压强系数Cp1与旋流阻塞孔口前壁面压强系数Cp2之间的关系Cp1＝0.41Cp2^3/2+1.25、旋流阻塞孔口空腔半径比值r03/r02与旋流阻塞孔口压强比值p2/p3之间的关系p2/p3＝-1.12r03²/r02²+2.08、旋流阻塞孔口空腔半径相对比值(r02/R2)/(r03/R3)与旋流阻塞孔口傅汝德数Fr03之间的关系(r02/R2)/(r03/R3)＝0.0001Fr03，共同确定进而得到阻塞孔口半径的。

阻塞收缩段的长度的取值范围为旋流洞径的1.5～2倍，即：1.5D<L1<2D，均匀段长度为阻塞洞径的2～2.5倍，即:2R3<L2<2.5R3，扩散段的长度为阻塞洞径的3.5～4.5倍，即：3.5R3<L3<4.5R3。

具体设计过程如下：

设计条件：作用水头为H＝137.07m，设计流量为Q＝1470m³/s，水平旋流洞洞径D＝14m。假定一个旋流阻塞孔口的净过流面积A03＝π(R3²-r03²)＝22m²，由公式(1)用于确定起旋器孔口壁面压强值p1：

p1＝0.747ρgH＝1003.47kpa

依据试验资料得到起旋器喉口压强系数Cp1与旋流阻塞孔口前壁面压强系数Cp2的关系曲线如图2所示，拟合公式如公式(3)，此关系用于确定旋流阻塞孔口前壁面压强值p2：

Cp1＝0.41Cp2^3/2+1.25 (3)

其中，Cp1＝1.64，Cp2＝0.096，p2＝592.41kpa；

Cp1＝p1/0.5ρv1²，Cp2＝p2/0.5ρv2²，v1为起旋器喉口的平均流速，v2为旋流阻塞孔口的平均流速；

公式(2)用于确定旋流阻塞孔口的壁面压强p3：

选取值温度为15度，一个大气压时值为pv＝1.71kpa

p3＝0.3*0.5ρv²+pv-pa＝574kpa

旋流阻塞孔口空腔半径比值r03/r02与旋流阻塞孔口壁面压强比值p2/p3的关系如图3所示，拟合公式如公式(4)，此关系用于确定旋流阻塞孔口空腔半径的比值r03/r02：

p2/p3＝-1.12r03²/r02²+2.08 (4)

r03/r02＝0.96

旋流阻塞孔口空腔半径相对比值r03/r02与旋流阻塞孔口傅汝德数Fr03的关系如图4所示，拟合公式见公式(5)，此关系用于确定旋流阻塞孔口半径R3和旋流阻塞净过流面积A03：

r02/R2＝r03/R3＝0.92 (5)

其中，r02＝0.91*R2＝6.44m，r03＝0.96*r02＝6.18m，R3＝r02/0.92＝6.71m，

A03设＝π(R3²-r03²)＝21.76m²

旋流阻塞孔口的净过流面积设计值与假定值进行对比：

A03＝22m²＝A03设＝21.76m²

通过试算法直至旋流阻塞净过流面积的设计值与假定值一致，即确定旋流阻塞的半径为6.7m，旋流阻塞渐缩段的长度为旋流洞径的2倍左右，即为28m，阻塞均匀段长度取阻塞洞径的2.5倍，即为16.75m，扩散段的长度取阻塞洞径的4.5倍，即为30.15m。