一种多级洞塞中洞塞间理想间距的确定方法与流程

本发明涉及洞塞间距领域，尤其涉及一种多级洞塞中洞塞间理想间距的确定方法。

背景技术：

随着高坝建设的发展，深峡谷、高水头、大流量、多泥沙的特点更为突出。以溪洛渡为代表的泄洪能量达到世界之最，泄洪消能成为高坝建设最关键技术问题之一。因地制宜将导流洞改建成永久泄洪洞，并在泄洪洞内安装多级洞塞或孔板进行合理消能，具有经济、布置简单和消能效率高的特点。然而对于有消能要求较高的水电工程，单级洞塞并不能够满足工程标准，因此，需要采用多级洞塞进行消能。

洞塞的流态如图1所示，在洞塞泄洪洞内，水流通过突缩突扩来消散能量，即水流在洞塞后部经过一段距离才能恢复正常。目前，研究表明，单级洞塞后部的水流大约经历3d(d为泄洪洞直径)的距离，水流流态基本恢复正常。然而，在多级洞塞泄洪洞中，上下级洞塞之间会产生相互影响，因此，对于多级洞塞来说，3d并不是多级洞塞中洞塞间的理想间距。

综上，目前亟需一种能够确定多级洞塞中洞塞间的理想间距的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种多级洞塞中洞塞间的理想间距的确定方法，其能够确定处多级洞塞中洞塞间的理想距离。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多级洞塞中洞塞间理想间距的确定方法，其包括步骤：

获取多级洞赛中每级洞塞的孔径比，并根据每级洞塞的孔径比计算每级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数；

结合数值模拟试算法计算所述多级洞塞中每级洞塞的能量损失系数；

判断模拟计算得到的当前级洞塞的能量损失系数是否等于所述当前级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数；

若相等，则将所述当前级洞赛与其上一级洞赛之间当前的间距作为所述当前级洞塞与其上一级洞塞之间的间距为理想间距；

若不等，则增加所述当前级洞塞与其上一级洞塞之间的间距，并重新模拟计算增加间距后的所述当前级洞塞的能量损失系数，然后再次判断重新计算得到的所述当前级洞塞的能量损失系数是否等于所述当前级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数，若不等，则再次增加间距并重新计算直至计算得到的能量损失系数等于所述当前级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数时，将对应的间距作为所述当前级洞塞与其上一级洞塞之间的理想间距。

其中，所述多级洞塞中每级洞塞的孔径比相同。

其中，所述多级洞塞为二级洞塞，且当所述孔径比在0.4～0.8之间时，上下级洞塞之间的理想间距为5.4～5.7d。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明通过结合数值模拟算法计算多级洞塞中每级洞塞的能量损失系数，并将模拟计算得到的每级洞塞的能量损失系数与该每级洞塞单独作为单级洞塞时的能量损失系数进行比较，若两者不同，则修正洞塞之间的间距，即增大当前洞塞及其上一级洞塞之间的间距，然后再次模拟计算该当前级洞塞的能量损失系数，并再次进行比较，直至模拟计算得到的该洞塞的能量损失系数与其作为单级洞塞时的能量损失系数相同时，即确定该洞塞当前与其上一级洞塞之间的间距为理想间距。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是单级洞塞流态的示意图；

图2是本发明的一种多级洞塞中洞塞间的理想间距的确定方法的一实施例结构示意图；

图3是本发明的一种多级洞塞中洞塞间的理想间距的确定方法的一实施例中洞塞泄洪洞坐标轴示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，为本发明的一种多级洞塞中洞塞间理想间距的确定方法的一实施例的流程图，具体地，本实施例中该洞塞间理想间距的确定方法包括步骤：

s201，获取多级洞赛中每级洞塞的孔径比，并根据所述孔径比计算每级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数ξ。在一具体实施例中，令每级洞塞的孔径比ξ相同，且该孔径比ξ的计算公式为：

ξ＝0.36×(d/d)^-5.7(1)，

其中，ξ为洞塞的能量损失系数，d/d为孔径比(d为孔板直径，d为泄洪洞直径)。

s203，根据数值模拟试算法计算该多级洞塞中每级洞塞的能量损失系数ξ1。

s205，判断步骤s203中计算得到当前级洞塞的能量损失系数ξ1是否等于步骤s201中计算得到的能量损失系数ξ，若相等，执行步骤s207，否者，执行步骤s209。

s207，将该当前级洞塞与其上一级洞赛之间当前的间距作为该当前级洞塞与其上一级洞塞之间的理想间距。

s209，增加该当前级洞塞与其上一级洞塞之间的间距，并执行步骤s203。

本实施例中，当判断出模拟计算的能量损失系数与该洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数不同时，则需要重新结合数值模拟算法计算增加间距后的该当前级洞塞的能量损失系数，然后再次判断重新计算得到的该当前级洞塞的能量损失系数是否等于该当前级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数，若不等，则再次增加间距并重新计算直至计算得到的能量损失系数等于该当前级洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数时，将对应的间距作为该当前级洞塞与其上一级洞塞之间的间距作为理想间距。

下面结合具体实施例中对本发明中结合数值模拟算法计算能量损失系数，并根据模拟计算的能量损失系数与洞塞作为单级洞塞时的能量损失系数进行比较，直至最终找到理想间距的步骤。

具体地，由于洞塞或孔板泄洪洞一般均是水平放置，重力对它们水力学特性的影响不大，因此，可忽略重力影响，则构建图3所示的洞塞水流数值模拟的坐标系，且由于洞塞泄洪洞水平放置且具有严格的三维轴对称性，即过洞塞泄洪洞任一轴线的平面水流特性都相同，因此，在一具体实施例中，将洞塞的三维数值模拟简化为轴面二维数值模拟，具体地，以xz轴面二维泄洪洞平面的水流特性来代表整个洞塞泄洪洞各个平面的水流特性。

在一具体实施例中，该数值模拟算法是运用fluent来进行，计算采用的模型是rngk-ε模型，则该rngk-ε模型的控制方程组如下：

(1)质量守恒方程(连续方程)：

(2)动量守恒方程：

(3)k-方程：

(4)ε-方程：

其中，xi(＝x，y)代表轴向和径向方向的坐标；ui(＝ux，uy)代表轴向和径向方向的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示压强；v表示水流的运动黏度；vt表示涡黏度，vt＝cμ(k²/ε)，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率，cμ＝0.085。

其他参数的取值如下：η＝sk/ε，c1＝1.42，ηo＝4.377，λ＝0.012，c2＝1.68，αk＝αε＝1.39。

计算的边界条件有入流边界、出流边界、对称轴边界和壁面边界。各边界条件按照以下方法处理：(1)入流边界条件有入流平均流速、湍流动能分布、湍流动能耗散率分布。它们的数学表达式分别为：uin＝u0；k＝0.0144u0²；ε＝k^1.5/(0.5r)，其中：u0为泄洪洞入口平均流速；r为泄洪洞半径。(2)出流边界处理方法如下：假定出流充分发展。(3)对称轴边界处理方法为：假定径向速度为0，且各变量沿径向的梯度均为0。(4)壁面边界处理方法为：边界层流中采用无滑移假定，也即是，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。

由于当雷诺数大于10⁵时，雷诺数对回流去长度和能量损失系数几乎没有任何影响，因此，在一具体实施例中，对两级洞塞进行模拟计算，且选择直径为0.21m的泄洪洞，其计算流速为1m/s(且计算时的雷诺数均大于10⁵)，则其计算结果如下表一所示：

由上表一可知，当孔径比d/d在0.4～0.8范围内，当上下级洞塞间距达到5.7d以上时，各级洞塞均能较好发挥各自的消能功能，在实际工程中，上下级洞塞之间的间距安排在5.7d左右是合理的，当前洞塞与其上一级洞塞间的理想间距为5.7d。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。