【doc】竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律

【doc】竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律 竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压 力分布规律 2002年第4期 水力发电 JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第79期 竖井进流水平旋转内消能泄水道的 壁面压力分布规律 牛争鸣孙静张鸣远 (1.西安理工大学2.西安交通大学,西安710048) 摘要:本文从竖并进流水平旋转内消能泄水道的基本流态出发,对该种泄水道中的轴向及 环向空腔水流的流速分布提出假定,并利用边界条件确定其形式.根据旋转水流r方向的基 本微分方程和自由涡流的假设建立了这种泄水道环向空腔水流的压力积分方程表达式,并据 此定义了这种流动的壁面压力系数.依据试验观测对这种流动的壁面压力系数及其影 响因素的变化规律进行了分析,并给出相应的经验,从而较圆满地解决这种流动壁面压 力等水力参数的计算,为进一步的理论分析与提供了依据与参考. 关键词:水工建筑水力学;壁面压力分布;试验研究;竖井进流水平旋转内消能泄水道 中图分类号:TV651.13文献标识码:A 1基本流态与流动分析的基本假定 近年来,我国高坝建设迅速发展,而这些高坝大多建于高山峡谷之中,其具有水头高, 泄量大,消能空间狭小和泄水建筑物难以布置的特点.常规的挑流消能常引起 一系 列的高速水流问题,如空蚀,雾化和下游岸坡冲刷等.为了解决这些问题和探讨将导流洞 改建为永久式泄洪洞的方案,近年来在国内结合一些设计规划中的大中型工程,较多地开 展了旋流内消能泄洪洞的研究工作.但国内的研究,大多为竖井旋流式,而本文作者结合 拉西瓦水电站导流洞改建永久式泄洪洞的研究,则在竖井进流水平旋转内消能泄水道的 研究方面作了深入系统的工作.由于篇幅所限,本文所述,仅为这些工作中关于壁面压力 的研究成果部分. 1.1体型,几何尺寸与模型试验工况 本文试验所采用的试验模型体型及几何尺寸如图1所示.试验模型的各部分尺寸均 其中原型洞径D=16m,洞长/D=31.5,通气孔直径D./D= 按其与洞径D的比值确定, 0.0625,0.125,起旋器收缩断面的过流截面的面积收缩比A/A=0.448.试验模型按重力 相似设计,几何比尺为1:100.模型试验工况为上游水位日/D=6,14,下游水位^/D= 0.5,4,共有25种上下游水位变化的组合.壁面压力采用测压管量测,通风量采用风速 仪量测,环流空腔直径d.采用自制的探针由水平洞的上下左右四个方向径向量测平均得 出,泄流量采用90~的三角堰量测. 收稿日期:2001.11-27 作者简介:牛争鸣,1957年生,男,西安理工大学教授 72水力发电 1.2基本流态 为了对壁面压力的试验资料进行分析,有必要对图l所示的竖井进流水平旋转内消 能泄水道的基本流态进行简要阐述.根据观测分析,在图1所示泄水道中,水流在重力的 作用下,经竖井末端起旋器的收缩断面出口(D.断面),在水平洞内形成空腔环流,空腔直 径为d.,空腔环流与洞轴线的夹角为a.根据环流空腔内的压强P.,环流空腔直径d.,通 风孔的通风量及泄流量p的变化规律的不同,可分为三种基本流态: — +一一 (3D/10)'(9/9/10)'竖井进【1 左视剖面图 气孔 正视剖面图 图1试验模型体型及尺寸 Fig.1Modelusedforexperiment 淹没流流态,P.>0,=0,d.=0,Q=F(H,h),如图2(a)所示. 吸吮流流态,P.<0,=f(H,h,P.),d.?c,Q=f(,h,P.),如图2(b)所示. 自由流流态,P.:0,=f(H),d:c,Q=f(H),如图2(d)所示. 图2中,阴影线部分为空腔环流中的水流流层,轴心区域为气流空腔,空腔直径为 d..d.在由流流态时为近似常数,在吸吮流流态时沿程变小,不等于常数.将P.<0, d.?c时的流态称为吸吮流流态是因为该流态时,环流空腔内的压强P.为负压,通气孔 的通气量与其大小成比例.关于基本流态更深入系统的研究成果,因受篇幅限制,已 另文报道. 1.3流动分析的基本假定 根据观测,对上节所述的水平洞中的空腔环流的流动进行分析时可假定: (1)水流具有轴对称性,所有物理量对0方向(即环向)的偏导数D/D0=0; (2)径向水流流速=0; (3)高速旋转的空腔环流符合水流运动的基本物理定律; (4)泄水道水平放置或底坡较小,重力及离心力在流动方向(即轴向z)的分量可不 计; (5)空腔环流水流流层的曲率半径符心圆假定. 牛争鸣等:竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律73 (B)>0do=O淹没流流态(c)O过渡状态流态 (b)<O吸允流流态(d)do=0自由流流态 一 气体流速——洞中心水体流向 图2基本流态 Fig.2Essentialflowpatterns 2壁面压力分布规律的分析 2.1流速分布假定 为了对壁面压力进行分析,需对图 2所示的流态的流速分布规律进行假 定.根据实际观测与分析,图2所示流 动,吸吮流流态及自由流流态的速度分 布如图3所示.其中为空腔环流中 轴向水流流速分布,为r:rn时的轴 向水流流速.为空腔环流中环向水 流的流速分布,为r=r0时的环向水 流流速. (1)轴向水流流速分布假定 Z 轴向环向 图3流速分布假定 Fig.3Velocitydistributionsupposition = …r 一 )+c() 其中r.为空腔环流的空腔半径,o,b,c为可由边界条件确定的待定系数.该轴向流动 应 满足的边界条件为: r=r0,= r一,:0 r:R,:0 代人流速分布假定可得: 口=l4-c b:一2c l 一一可 74水力发电 因此轴向水流流速分布为: 一(?一?一)? (2)环向水流流速分布假定 环向水流是由起旋器出口切向方向的水流的初始动量形成,因此可根据自由涡流 理 论,按在同一断面流层的动量对轴心的矩为常数的原则确定: 其应满足的边界条件为: r—R.Vo=0 (2) (3)轴向水流流速分布中的确定 沿水平泄水道同一断面对泄流量微元dQ=2~rdrL进行积分可得: Q=-『R2兀rdr=-『2兀r{?一(?一)/(?一))dr=?c3 即: = 詈(4) 式中: = [R-2roR+一r052+詈]? 式(4)与式(5)中的r.与Q均可由试验确定. 2.2壁面压力的积分表达式 根据流动分析的基本假定,可得水平洞沿径向水流的微元体的压力微分表达式为: dp=Pdr(6) 将式(2)代入式(6)积分后得: p 利用边界条件r=r.,p=p.,可得C:p. p+一 当r=R时,P=P,由式(8)可得: p一p.:(ro一R一) 上面式(8),(9)即为该种泄水道,沿径向任一位置壁面压力的理论分析表达式. 3壁面压力系数及其变化规律 3.1壁面压力系数的定义 (7) (8) (9) 得 可 式 C人 +代 牛争鸣等:竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律75 ca式(8),(9),令该种泄水道的压力系数与壁面压力系数为: r_2)(10) = Pw-Po =一)…)一 lD 一 ." 如果令P.=0,则壁面压力系数可表达为: 2)) 在自ca流流态时,P.=0,所以可以用式(12)计算壁面压力系数.在其它情况下,需用 式(11)进行计算.在已知r.与Q时可根据式(4)和式(5)计算得出. 3.2壁面压力与其相关物理量的变化规律 3.2.1自ca流流态区与吸吮流流态区的流量系数的变化规律 流态在吸允流流态与自由流流态时,图(1)所示泄水道的泄流量符合弧形底坎闸孔的 出流基本公式: Q=A0~/2gH(13) 其中A.为起旋器出口收缩断面的面积,H为上游水位,为流量系数,试验所得其 在自由流流态与吸吮流流态时的变化规律如图4所示.自由流流态时0.50,吸允流 流态时拟合公式为=0.344[(H—h)/ho.24.图4所示的变化规律均为在竖井为满流 的工况下所得.Q变化规律更深入系统的研究分析成果,因篇幅所限,已另文报道. 3.2.2环流空腔直径d的基本变化规律 环流空腔直径d.在某一断面的基本变化规律如图5所示.由图可知,其基本的变化 0510l5202530 刖 图4流量系数的变化规律 Fig.4Changeofdischargecoefficient with(//一h)/h 579111315 H/D 图5环流空腔直径d.的变化规律 Fig.5Changeofhollowencircleflow's diameterwithH|D 规律为,在下游水位h较低时,d.随上游水位日的变化较小,数值较大,当下游水位h较 高时,随上游水位日的减小,d.有较大的减小,当上游水位日小于某一值时,d.=0.d. 在不同的流态时,沿程也有较大的变化.更深入与系统的研究分析成果因受篇幅限制,也 76水力发电 已另文报道. 3.2.3壁面压力的变化规律 壁面压力的实测变化规律如图6所示.其基本的变化规律可概括为(1)在竖井末端 起旋器出口段,压力速降达到最小后反弹;(2)在水平段,压力呈波状下降趋势.波动是因 为空腔环流的不完全对称所致.沿程压力下降与能量损失,环流空腔内的压力P.,环流 空腔直径d.及环向流速的变化有关,比较复杂,其复杂性可从不同的上下游水位变化 时,P不同的变化规律中看出.例如在上游水位较低时,不同的下游水位时的压力沿程 变化趋势虽相似,但数值却有很大的差异,在上下游水位适中时,压力沿程变化趋势相似, 且数值上也变化较小,这些均与流态的变化规律直接相关. 3.2.4壁面离心力压力系数随起旋口出口佛汝德数的变化规律 如果用反映起旋器出口流动特征的无因次佛汝德数: F:-==(14)rO/Ao gH 作为起旋器出口流动特征的代表值,则水平洞壁面压力系数C随F的变化如图7所示. 从图7中可以看出,不同断面,不同的上下游水位,不同的位置其变化规律相似,符合指数 规律: C=Aleu—Fr(15) 04080120160200240280320360400440480520560 z(m) 图6壁面压力变化规律 Fig.6Changeofwallpressure 式中A.与曰.为相对洞长z/D的线性函数,其试验结果的回归分析如图8所示,可拟合 成经验公式: Al=3.59z/D+113.55(16) Bl=一0.0677/D一6.1567(17) 根据式(15),式(17),可计算如图1所示竖井进流水平旋转内消能泄水道水平洞中任一 工况及任一位置的壁面压力系数.如果已知r0与Q的变化规律(如图4与图5所示)则 000000加5 牛争鸣等:竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律77 图7C一F关系曲线 Fig.7CurvebetweenCandF 可根据式(13)与式(14),式(15)计算,进一步计算任一工况与位置时的壁面压力: =2g?(18)y一. 所以壁面压力的计算可得到较圆满地解决. 3.2.5壁面压力系数随上下游水位的变化规律 壁面压力系数随上游水位,随下游250 水位均有较大的变化,不同断面位置也.. 有所不同.将其以上游水位H/D为参10o50,1 数或以下游水位^/D为参数点绘成与上50 1O2O3O z,D 1O2O3O z,D 图8A.,B,,z/D关系曲线 8CurvebetweenA1,B1and/D 为吸吮流流态时的变化规律.在下游水位h/D小于等于1时近似为常数,为自由 流流态时c的变化规律.c为常数,意味着壁面压力的变化与轴向水流的特征流速水 头/2g的比值随(H—h)/D的变化,保持为同一比例常数,因此可视为是一种平衡状 态.所以在自由流流态时(h/D?1),无论(H—h)/D大与小,均属此状态,但在吸吮流流 78水力发电 态时(/D?1),只有(H—h)/D较大时才会达到.图10所示为以上游水位H/D为参变 量,z/D=17.75断面c与(H—h)/D的关系曲线,其它断面也与其非常相似.从图中也 可以清楚地看出其变化规律与趋势,即在上游水位一定时,c随(H—h)/D的增大而减 小,并不同的H/D时趋向同一个常数,日/D越大c值变化越小.从该图c,随 (H—h)/D的变化可清楚的显示不同流态区的划分.工区为线性区域C=const显然为 自由流流态区,?区为三角形区域,不同上下游水位时c具有不同的变化规律,为吸吮 流流态区,?区亦为线性区域,c.随(H—h)/D是线性规律变化,显然为淹没流流态区. fH.h)/D 图9c(h/D),(H—h)/D关系曲线 Fig.9CurvebetweenC(h/D)and(H—h)/D 05l0l5 lH?h1D 图10C(H/D),(H—h)/D关系曲线 F.10CurvebetweenC(H/D)and(H,h)/D 4环流空腔内压力值P.的相对变化规律 在式(9)表示的壁面压力公式中,壁面压力可看成是环流空腔内的压力值与环流流速 引起的离心力压强之和,即: P=P0+P(t9) 在某一个上下游水位组合时,水流流态为自由流流态,此时P.=0,因此壁面压力就 等于离心力压力P=P=P.因为P.主要受下游水位h与通气孔通风量变化的影 响,P主要受环向流速与环流空腔直径d.变化的影响,而二者又都主要与上游水位日 因此如果认为上游水位不变时,下游水位变化与通气量变化所致的壁面压力有关, 的变化 均因P.的变化所致,则用在上游水位不变时,下游水位变化且P.?0时的壁面实测压力 减去某一下游水位(例如h/D=0.5时),P.=0时的实测壁面压力(P=P),就可得出其 相对的环流空腔内的压力值,也即受下游水位变化与通气量变化影响的环流空腔内相对 压力值: P0=P一P(20) 一 Po :一 1(21, pp 从试验可知,H/D=6,14,h/D?l时,P.一0,因此可将这些工况下的壁面压力作为 参考压力P=P,其它下游水位的壁面压力为P,就可按式(21)计算相对的环流空腔内 的压力值po. 505O 牛争鸣等:竖井进流水平旋转内消能泄水道的壁面压力分布规律79 图11为不同断面p./p,随相对上下游水位差(H—h)/D的点绘图.从图可以看出, p./p,随相对上下游水位差及位置均有较大的变化,但规律性及变化趋势明显.在z/D 不变时,其随相对上下游水位差的增大而呈指数规律减小并趋向零;越靠近洞出口断面, p./p的相对值越大.相对环流空腔压力值p./p,的变化规律说明,在下游水位与通气孑L 通风量的影响下,不同上下游水位差时,不同的断面,洞内的负压值是不同的.越靠近水 在上游水位不变,下游水位/D>1时,负压越大;在同一断面,相对平洞下游断面, 上下 游水位差越大,洞中负压就越小. 5结语 81O1214 (H-h)/D 图11Po/p的变化规律 Fig.11ChangeofP0/p 本文的研究成果因受篇幅限制,仅着重从理论分析的角度给出了图1所示泄水道壁 面压力的理论分析表达公式,并据此定义了壁面压力系数.根据试验资料,给出了壁面压 力与相关物理量的变化规律,壁面压力系数的变化规律,从而可以用式(18)进行该种泄水 道任一工况,任一位置时的壁面压力计算.本文还给出涉及到压力分布的空腔水流 的流 速分布规律,泄流量Q,环流空腔直径d与环流空腔中心相对压力的基本试验研究 变化 规律,为进一步更深入地研究竖井进流水平旋性内消能泄水道的水力特性提供了 研究思 路与基础. 参考文献: [1]夏维洪.苏联的旋转水流消能[].河海科技进展,1991.(3):29,40. [2]董兴林等.导流洞改为旋涡式竖井溢洪道综合研究[].水力发电,1995.(3):32, 37. 80水力发电 [3] [4] 孙双科等.下游高水位条件下导流洞改建为旋流竖井式泄洪洞的水力学问题研究 [.,].水利,2000.(10):22—27. 董兴林等.高水头大泄量旋涡竖井式泄洪洞的设计研究[.,].水利,2000.(11): 27,33. Wallpressuredistributionofthehorizontalvortexand innerenergydissipatingtunnelwithainletshaft NiuZhengming'SunJingZhangMingyuan (1.Xi'anUniversityofTechnology2.Xi'anJiaoTongUniversity,Xian710048) Abstract:Inthispaper,thehollowencircleflow'saxialandencirclevelocitydistributionsofth e HorizontalVortexandInnerEnergyDissipatingTunnelwithaInletShaftshownasFig.1.have beensupposedanddecidedbydescribingitsessentialflowpatternsandgivingitsflowbounda rycon— ditions.Thepressureintegraleguationhasbeeneducedfromabasicr— directionmotiondifferential equationaccordingtofreevortexflowsuppositionabouttheflow,andthenapressurecoefficientis difinedaccordingly.Baseontheexperimentaldatemeasuredbythewriterofthispater,thechange lawofthepressurecoefficientaswellasitsinfluencefacforshavebeenanalgzedandtheempiric equationhavebeenformulatedbywhichthehydrualiccharacteristicsofthetypeStunnelsuchas wallpressure,axialvelocityetc.couldthenbeanalyzedandCalculatedstaisfactorily.Theseanalysis andconclusionsinthepaperwillbeafoundationandareferenceforfartherreasearchersandengi— neeringdesignersinterestinginthereasearchregion. Keywords:hydrualicstructure;wallpressuredistribution;experimentalstudy;horizontalvortex andinnerdissipationtunnelwithainletshaft