一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法，依据水平旋流泄洪洞通气孔等效作用水头HФ与起旋器孔口水流条件、下游水流条件和通气孔几何尺寸与摩阻特性的相互关系，进行水平旋流泄洪洞通气孔的设计。该设计方法简单有效，可以保证依据本发明专利技术得到的通气孔满足在设计水头和泄流量范围内水平旋流泄洪洞中有稳定的流态，填补了现行规范中没有具体的关于空腔旋流条件下通气孔设计方法的空白。

【技术实现步骤摘要】
一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法
本专利技术属于泄洪消能设施装置
，具体涉及了一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法。
技术介绍
水平旋流泄洪洞是一种新型内消能工。水平旋流泄洪洞的原理为利用旋转水流的离心力行成空腔，增大洞壁压力和水力摩阻，延长流程，达到减少空蚀空化和消能的目的。水平旋流泄洪洞一般由引水段、竖井段、起旋器段、旋流洞段、退水洞段组成。这种泄洪洞的突出特点是既具有较大的泄流能力，又具有较高的消能率。引水段布置灵活，适应地形能力比较强。通气孔是安装在水平洞段的起始端，属于起旋器的组成部分(见图1、2)，通气孔的进口形状、几何尺寸的合理设计是保证水平旋流泄洪洞内流态的稳定的前提，合适的通气孔能保持一定的通气量也有利于减少因下游水位变化产生的流态交替现象发生。而目前对于水平旋流内消能工，在公开文献和现行规范中没有具体的关于空腔旋流条件下通气孔的设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法，解决了现有技术中还没有具体的关于空腔旋流条件下通气孔设计方法的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法，包括以下步骤：步骤1，给定设计条件，作用水头H、设计流量Q、竖井直径、水平旋流洞洞径D、下游水位h、起旋器出口流速vq；步骤2，根据起旋器孔口面积公式计算起旋器孔口面积Aq；步骤3，根据公式计算起旋器孔口水流傅汝德数Frq；步骤4，通过FrФ/Frq与气水比Фt/Q之间的关系计算Фt/Q：Фt/Q＝0.0002(H/D)3-0.0051(H/D)2+0.04(H/D)-0.03再通过气水比Фt/Q与H/D之间的关系计算FrФ：Фt/Q＝0.0338(FrФ/Frq)-0.0007步骤5，最后依据公式FrФ＝(Фt/AФ)/(gH)0.5计算得到通气孔孔口面积AФ，进而得到通气孔孔径D0，根据设计好的通气孔尺寸即可确定进口形式，完成通气孔的设计。本专利技术的特点还在于：上述设计流量Q范围为800～1500m3/s，作用水头范围为60～150m。本专利技术的水平旋流泄洪洞通气孔设计方法简单有效，可以保证依据本专利技术得到的通气孔满足在设计水头和泄流量范围内水平旋流泄洪洞中有稳定的流态，填补了现行规范中没有具体的关于空腔旋流条件下通气孔设计方法的空白。附图说明图1是水平旋流泄洪洞通气孔的结构主视图；图2是图1的俯视图；图3是本专利技术水平旋流泄洪洞试验模型的结构示意图；图4是拟合的Фt/Q与FrФ/Frq的关系图；图5是拟合的Фt/Q与H/D的关系图。图中，1.引水段，2.竖井，3.起旋器，4.通气孔，5.旋流洞，6.退水洞。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术并不限于这些实施方式。本专利技术定义空腔旋转流的携气量傅汝德数FrФ，它反应了携气量与通气孔几何条件对旋流洞水力特性的影响：FrФ＝(Фt/AФ)/(gH)0.5＝1.414μt(HФ/H)0.5(1)式中，Фt为通气孔的通气量，AФ为通气孔孔口面积，H为作用水头，μt为常规的通气孔的通气量系数，HФ是通气孔的等效的作用水头。用旋流洞的作用水头H去定义FrФ，是因为各种流态下空腔旋转流的携气量均与H直接相关。专利技术人发现，在空腔旋转流条件下，通气孔的等效作用水头HФ不同于常规作用水头H，它是在起旋器孔口水流条件、下游水流条件和通气孔几何尺寸与摩阻特性的影响下，由于通气孔孔口处的压强或风速变化导致，当通气量与有压孔口出流条件下通气量相等时等效的作用水头。HФ与水平旋流洞内的流态有关，当流态为吸吮旋转流时，其与通气孔出口处的真空度有关；当流态为自由旋转流时，其与通气孔出口处的风速值有关。HФ与起旋器孔口水流条件、下游水流条件和通气孔几何与摩阻特性之间存在相互关系，并且它们之间的关系最终可以表示成FrФ/Frq与气水比Фt/Q的关系，其中，Frq为旋器孔口水流傅汝德数，Q为设计流量。因此，专利技术人设计了如图3所示的水平旋流泄洪洞试验模型，该模型包括引水段1、竖井2、起旋器3、通气孔4、旋流洞5、退水洞6。所述竖井2顶端连通引水段1的开敞式进口，所述竖井2底端连通所述起旋器3，所述起旋器3侧部设有所述通气孔4，所述起旋器3后连通所述旋流洞5，所述旋流洞5后连通所述退水洞6。在该模型中模拟出水平空腔旋流的水流，控制水平旋流泄洪洞下游水位不变(h/D＝0.5)，改变上游来流条件，计算相应的水流数据，通过大量试验数据的拟合发现，当水平旋流泄洪洞的泄流量范围为800～1500m3/s、作用水头范围为60～150m时，FrФ/Frq与气水比Фt/Q之间呈稳定的线性关系，见表1和图4，由此确定FrФ/Frq与气水比Фt/Q之间的关系为：Фt/Q＝0.0338(FrФ/Frq)-0.0007(2)另外，由表1可知，上游水位变化范围H/D＝(6,8,10,12,14)，旋流洞中为自由旋转流态(当(H/h-1)>6时，为自由流)，此时通气量完全由空腔旋转流的携带作用决定，且当H/D增大时，泄流量Q增大，空腔旋转流的携气能力也增大，通气量Фt也增大，气水比Фt/Q随H/D增长的变化情况见图5，它们之间的关系为：Фt/Q＝0.0002(H/D)3-0.0051(H/D)2+0.04(H/D)-0.03(3)表1FrФ/Frq与Фt/Q的关系h/D＝0.5H/DФt(m3/s)Q(m3/s)Фt/QFrФ/Frq1426429990.0882.6241217027540.0621.8421015324900.0611.832814522310.0651.941613618820.0722.161依据上述关系，即可确定起旋器孔口的尺寸，具体确定方法如下：步骤1，给定设计条件，作用水头H、设计流量Q、竖井直径、水平旋流洞洞径D、下游水位h、起旋器出口流速vq；步骤2，根据起旋器孔口面积公式计算起旋器孔口面积Aq；步骤3，根据Aq计算起旋器孔口水流傅汝德数Frq；步骤4，由Фt/Q与H/D的关系确定Фt/Q，然后由FrФ/Frq与Фt/Q的关系及Frq确定FrФ；步骤5，最后依据公式FrФ＝(Фt/AФ)/(gH)0.5计算得到通气孔孔口面积AФ，进而得到通气孔孔径D0，根据设计好的通气孔尺寸即可确定进口形式，完成通气孔的设计。下面给出具体实施例进行说明。实施例一本实施例作用水头H＝100m，设计流量Q＝1000m3/s，竖井直径10m，水平旋流洞洞径D＝10m，下游水位h＝8m，起旋器出口流速vq<32m/s。(1)按上面的设计条件与要求，起旋器出口流速vq<32m/s，因此起旋器孔口面积应为按起旋器孔口的流速计算公式有vq＝j[2g(H-p1/ρg)]1/2<32m/s，由多年的试验资料可知水平旋流泄洪洞竖井段的能量损失约为5％，所以取流速系数j＝0.95，计算可得起旋器孔口的压强水头p1/ρg≧40m。(2)依据竖井、起旋器的几何形式、尺寸与布置型式，计算Frq。(3)依据本案例条件中的上游水位H以及Фt/Q与H/D的关系确定Фt/Q。由H/D＝10和Фt/Q＝0.0002(H/D)3-0.0051(H/D)2+0.04(H/D)-0.03得出Фt/Q≈0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，给定设计条件，作用水头H、设计流量Q、竖井直径、水平旋流洞洞径D、下游水位h、起旋器出口流速vq；步骤2，根据起旋器孔口面积公式

【技术特征摘要】
1.一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，给定设计条件，作用水头H、设计流量Q、竖井直径、水平旋流洞洞径D、下游水位h、起旋器出口流速vq；步骤2，根据起旋器孔口面积公式计算起旋器孔口面积Aq；步骤3，根据公式计算起旋器孔口水流傅汝德数Frq；步骤4，通过FrФ/Frq与气水比Фt/Q之间的关系计算Фt/Q：Фt/Q＝0.0002(H/D)3-0.0051(H/D)2+0.04(H/D)-...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛争鸣，李奇龙，蒋雁森，李一川，余聪，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61