一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法技术

本发明专利技术公开了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，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，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°，本发明专利技术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。

A design method of combined energy dissipator for cyclonic obstruction and diffusion

The invention discloses a design method of swirl blocking and diffusion composite energy dissipator, which is set at the end of the swirl hole in the horizontal swirl hole, which is the connection section of the swirl hole and the downstream retreat hole, which consists of the blocking contraction section, the uniform section and the diffusion section, and the average velocity of the throat inlet of the swirl hole should be less than 35. M/s, the number of cavitation in the flow of swirling flow obstruction should be more than 0.3, the form of the connection between the block and the uniform section is gradually shrinking, and the range of the inclination of the gradually shrinking section and the horizontal angle is 0 degree < alpha < 20 degree, the connection between the diffusion section and the downstream dewater hole is the gradual expansion, and the range of the diffusion section and the leveling angle of the water leveling is: < beta. < 15 degree, the invention solves the problem of cavitation and cavitation damage easily occurring in conventional horizontal swirling discharge existing in Hongdong.

【技术实现步骤摘要】
一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法
本专利技术属于水利水电工程泄洪消能
，具体涉及一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法。
技术介绍
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，专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的特点还在于，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°&lt;α&lt;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°&lt;β&lt;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＝0.41Cp23/2+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&lt;L1&lt;2D，均匀段长度为阻塞洞径的2～2.5倍，即:2R3&lt;L2&lt;2.5R3，扩散段的长度为阻塞洞径的3.5～4.5倍，即：3.5R3&lt;L3&lt;4.5R3。本专利技术的有益效果是，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是本专利技术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是本专利技术一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法中Cp1与Cp21.5的关系图；图3是本专利技术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是本专利技术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专利技术进行详细说明。本专利技术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°&lt;α&lt;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°&lt;β&lt;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＝0.41Cp23/2+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&lt;L1&lt;2D，均匀段长度为阻塞洞径的2～2.5倍，即:2R3&lt;L2&lt;2.5R3，扩散段的长度为阻塞洞径的3.5～4.5倍，即：3.5R3&lt;L3&lt;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＝0.41Cp23/2+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＝1.71kpap3＝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，拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，所述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°&lt;α&lt;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°&lt;β&lt;1...

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