洞塞式内消能的水力特性的实验研究与理论分析

“洞塞式内消能的水力特性的实验研究与理论分析”研究报告中国海洋大学工程学院08港航何勇、朱慧洁、郑清鑫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，应用物理模型试验、数值模拟和理论分析手段研究了突缩突扩单级洞塞多级洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能机理、空化特性等，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、针对二级洞塞消能工附近的局部流动,分析研究了水流紊动特点,建立了洞塞泄流的三维RNGk-ε紊流数学模型。2、建立了单级洞塞泄流的物理模型，利用物模试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好，说明利用RNGk-ε模型模拟有二级洞塞的附近流动是合理可行的3、利用建立的数学模型对一、二级洞塞的消能率和消能比进行了计算分析,结果表明一、二级洞塞面积收缩比对消能率和消能比的影响较大，而相对长度对其影响很小。4、在水头损失系数和计算域最小空化数权重相等的条件下，构造了简单的目标函数，给出了渐缩渐扩洞塞的最优几何体型参数。5、探究了如何构造符合工程实际的目标函数，并给出合理的控制条件是后续工作需要深入研究的内容。6、本文提出了一种新型的渐缩渐扩洞塞。针对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞消能工附近的局部流动，分析研究了水流紊动特性，建立了洞塞泄流的三维RNGk-ε紊流数学模型和物理模型，利用物理模型试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好。7、利用建立的数学模型对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞的水头损失系数和空化数进行了计算。当洞塞渐缩段和渐扩段几何尺寸互换时，水头损失系数和最小空化数的变化不大。8、对洞塞脉动压强特性的分析表明：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；而面积收缩比越小，脉动压强越大。9、釆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。关键词：洞塞消能水力特性空化数一、回顾与评述首先介绍本课题的选题背景及研究的意义，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，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问题的提出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1万KW以上的河流有300多条，我国水能蕴藏量为6.76亿KW，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6.02万亿KW.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2002年底，全国常规水电己开发装机容量78850MW，年发电量2710亿KW.h，分别占经济可开发装机容量的20%和经济可开发年发电量的15.6%，占全国总电力装机容量的22.1%，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32%。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13个省〔直辖市）经济可开发37589MW，已在建容量21240MW，开发程度达到56.5%，中部地区6个省经济可开发53974MW，已在建容量39889MW，开发程度为74%，而水能资源特别丰富的四川、云南、西藏开发程度仅为16%、11%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2010年水电装机容量达到1.6亿KW，占电力总装机容量的27%，水电开发程度达40%；到2020年水电装机容量达到2.7亿KW，占电力总装机容量的29%,水电开发程度达68%（见图1）。按区域划分，到2020年，四川，云南，贵州的水电开发总装机规模分别要达到64600MW、53100MW和16300MW，开发程度分别为64%、54%和86%。这意味着今后平均内年要新增水电装机1000多万千瓦，在今后的20~25年的一段时期内，我国水电开发将迎来一个高峰，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。图1.1我国水电开发规划图1.2内流式消能工研究的意义我国两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、而流和戽流消能工）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，在孔板处里出现弱空化，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Mical坝在导流洞内设置了两个长分别为49m和37m，闻距为104m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≥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30%〜50%，而自由掺气的消力井可达80%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釆用此型消能工，进水口设两道平板闸门，门后设掺气跌坎，通过转弯半径R≈30m的圆弧水道同竖井连接，下接直径10.0m，高48.3m的消力井(其中洞下挖深10.0m)。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，需要解决洞内排气问题。我国四川沙牌水电站导流洞改建工程由常规压力短进水口、涡室以及旋流竖井组成，最大泄量245m3/s，堰上水头20.0m、总水头90.0m，竖井下部开挖5.0m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80%。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130m〜140m，若把导流洞改建为明流泄洪洞，洞内流速将达45m/s〜48m/s，这样高流速的含沙水流远远超出工程实践的范围,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N2、O2、CO2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。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，虽然大型工程尚无釆用洞塞式消能工的实例，但在国外，早在70年代就有将导流洞改建成永久式洞塞泄洪洞的先例，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。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。2洞塞式消能工的定义和研究历程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（thickorifice）、圆柱孔板（cylindricalorifice）、孔塞（perforatedplug）或塞（plug）。M.Fossa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；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，直到突扩后进入下游管道，Chisholm把这种流动称为厚孔板流。K.Ramamurthi等人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（separated），分离附着流（separatedflowfollowedbyattachment）及空化流（cavitatedflow），空化流是在厚孔板屮，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、强紊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。洞塞式消能工示意图2.2洞塞式消能工的硏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。1766年，Barda第一次分析了突扩水流的水头损失，并提出了著名的Barda公式，20世纪40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、喷雾千燥器、集成电路散热器等，则更为广泛地应用在化工、制药、食品、生物医学、电器等领域，一直以来，国外对扩散流的特性研究得比较充分。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20世纪50年代，并称之为压力消能工。20世纪70年代，加拿大麦加坝(MicaDam)在直径13.7（45ft）的导流洞内设置了两个分别为49m和37m，间隔104m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180m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NewDonPedro水库也设有一条釆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NewDonPedro底孔洞径仅3m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