CN103774625B - 齿坎式窄缝消能工和消能方法 - Google Patents

Abstract

一种齿坎式窄缝消能工和消能方法。消能工，包括窄缝消能工，由坎和齿构成且交替排列，用于形成收缩比变化的水流出口，使流动分层，产生层间的流动紊动和摩擦，增加掺气。消能方法，使用齿坎式窄缝消能工对高坝泄水建筑物出口水流实施消能，步骤如下：使水流通过齿坎式窄缝消能工，进行分层，并使不同层的流动的流速不同，在不同层间的流动产生紊动和摩擦，增加消能；同时，流动分层以后，在垂向与空气的接触面积得以加大，从而增加掺气，实现消能。本发明提高了泄流消能率约5％，大大减小对下游河道的冲刷和破坏。

Description

齿坎式窄缝消能工和消能方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程泄水建筑物中的一种消能工和消能方法，尤其涉及一种齿坎式窄缝消能工和与之相应的消能方法。

背景技术

随着水利水电工程建设的高速发展，以窄河谷、高水头和大泄量等为特征的水利水电工程泄水建筑物的泄洪消能问题尤为突出，新型消能工和消能方法的研究和开发，一直是工程设计中的重要问题。如，2013年首台机组已经发电的溪洛渡水电站，坝高285.50m，设计泄量49023m³/s，泄洪功率近100000MW；正在建设的白鹤滩工程坝高277.00m，设计泄量达到48200m³/s，泄洪功率也达到96933MW。

窄缝消能工常用于水利水电工程泄水建筑物，如表孔、中孔等出口，利用出口的收缩，使流动在垂向和纵向充分拉开，增加过流面积、增加流动在空中的掺气，提高消能率，减轻和避免下游河道的冲刷和破坏。窄缝消能方法和消能工由于结构简单、消能率高，在工程中，如贵州的善泥坡水电工程的中孔、四川立洲工程和云南丹达河等工程中都有良好的应用。基于流动在垂向和纵向充分拉开的特点，进一步研究提高消能率的措施，开发新型消能工，对水电工程的泄洪安全是重要的。

发明内容

本发明提出一种齿坎式窄缝消能工和消能方法，与传统窄缝消能方法相比，可以提高消能率约5％，并具有良好的水力特性。

本发明采用如下技术方案：

一种齿坎式窄缝消能工，包括：窄缝消能工，所述窄缝消能工的窄缝侧面由坎和齿构成，所述坎和齿交替排列，并用于形成收缩比变化的水流出口，使流动分层，产生层间的流动紊动和摩擦，增加掺气。

一种齿坎式窄缝消能方法，使用齿坎式窄缝消能工对高坝泄水建筑物出口水流实施消能，所述齿坎式窄缝消能工的窄缝侧面由坎和齿构成，所述坎和齿交替排列，并形成收缩比变化和面积变化的水流出口，所述消能的步骤如下：

使水流通过所述齿坎式窄缝消能工，并通过齿和坎对流动进行分层，出口水流在齿和坎作用下分层，并使不同层的流动的流速不同，由此，在不同层间的流动产生紊动和摩擦，增加消能；同时，流动分层以后，在垂向与空气的接触面积得以加大，从而增加掺气，实现消能。

本发明是通过在窄缝中增加齿坎来提高消能率的。其基本原理是，在出口窄缝中加设若干组齿坎，使流动分层，由于齿坎层间流动的实际过流面积尺寸不同，使流动流速不同，不同流速的流动在层间相互产生紊动和摩擦，随着层间流动紊动和摩擦的增加，使更多能量得以消耗，从而增加消能；流动分层后，流动与空气的接触面积加大，流动掺气增强，消能作用得到进一步增加。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明利用消能工中的齿坎，对通过消能工的流动进行分层，分层后的流动，相互间的摩擦和水流掺气增强，可以提高泄流消能率约5％，大大减小对下游河道的冲刷和破坏。具体优点如下：

(1)结构形式简单，施工方便；

(2)无空化问题；

(3)流态稳定。

本发明对于水利水电工程泄水建筑物，提高消能率、减小对下游河道的冲刷和破坏是非常有意义的。本项发明结构简单易行，有效性已得到试验验证。

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优先实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本发明齿坎式窄缝消能工结构及流动示意图。

图2是本发明齿坎式窄缝消能工结构细部俯视图。

图3是本发明齿坎式窄缝消能工结构细部侧视图。

图4是实验照片。

图5是模型试验坎高为a₂=1.75cm的齿坎式窄缝消能工在四种不同齿坎数消能率比较的结果。

图6是模型试验坎高为a₂=0cm的齿坎式窄缝消能工在四种不同齿坎数消能率比较的结果。

图7是齿坎式窄缝消能工与传统窄缝消能工消能率对比结果。

具体实施方式

本发明所述的一种齿坎式窄缝消能方法，即在传统窄缝的基础上，通过增设的齿坎增加消能。在此，齿坎的作用就是对出流的流动进行分层，通过层间产生的紊动、摩擦和增加流动掺气，可以有效地提高消能。

实施例1

一种齿坎式窄缝消能方法，使用齿坎式窄缝消能工对高坝泄水建筑物出口水流实施消能，所述齿坎式窄缝消能工的窄缝侧面由坎3和齿4构成，所述坎3和齿4交替排列，并形成收缩比变化和面积变化的水流出口，所述消能的步骤如下：

使水流通过所述齿坎式窄缝消能工，并通过齿4和坎3对流动2进行分层，出口水流在齿4和坎3作用下分层，并使不同层的流动的流速不同，由此，在不同层间的流动产生紊动和摩擦，增加消能；同时，流动分层以后，在垂向与空气的接触面积得以加大，从而增加掺气，实现消能。

在本实施例中，对出流水舌进行分层采用水平分层或扩散式分层，分层后的各层层间高度相等，也可以根据具体情形，采用不同层间高度的分层。

实施例2

一种齿坎式窄缝消能工，包括：窄缝消能工，所述窄缝消能工的窄缝侧面由坎3和齿4构成，所述坎3和齿4交替排列，并用于形成收缩比变化的水流出口，使流动2分层，产生层间的流动紊动和摩擦，增加掺气。

齿坎式窄缝消能工，其结构是在窄缝出口中设置了若干齿3和若干坎4，齿坎对出流水舌进行分层，从而使不同层的流动可以产生紊动和摩擦；同时，流动分层以后，水舌与空气接触的总表面积增加，达到增加流动掺气、提高消能率的目的。

下面参照附图，对本发明的具体实施方式做出更为详细的描述。

本发明所涉及的一种齿坎式窄缝新型消能工，如图1-图3所示，其中，B为泄水孔宽，b为出口宽，L为消能工长度，a₁和a₂分别为齿和坎的宽度，c₁和c₂分别为齿和坎的高度，h_o为齿坎总高。

对于传统窄缝消能方法和消能工，只有收缩，没有齿坎，即对于如图3结构中，a₂=a₁，出口宽度等于b(=B-2a₁)，流动在离开出口时以宽度b流出，没有本发明的流动分层，即不能产生本发明通过分层产生层间的不同流速，从而产生层间的强烈的紊动和摩擦作用；此外，传统窄缝消能方法和消能工，水舌的水深即为侧边与空气的接触边长，而在本发明的齿坎式窄缝消能方法和消能工中，侧边与空气接触边长增加了长度为(a₁-a₂)×2n，在此，n是坎的数量，与空气接触的边长增加的结果，出口水舌的掺气作用增加，消能提高。

下面结合模型试验实施例对本发明作出更为详细的说明。

图4是试验装置系统和齿坎式窄缝消能工物理模型实物照片，试验装置系统包括：水泵电机、进水管、供水平水塔、模型工作段、回水系统。模型工作段由短有压进口段、无压段和齿坎式窄缝消能工段组成，用有机玻璃制作；模型按重力相似准则设计，以某工程1/40比尺设计。进口段的功能是提供平稳的来流，其模型长0.65m，宽0.15m和高0.19m；无压段0.55m，宽0.15m和高0.30m，出口带有齿坎式窄缝消能工；消能工长0.1125m，从B=0.15m收缩到b=0.08m。试验装置最大流量400L/s，试验水头2.00m。

运用上述模型，专题研究了齿坎式窄缝消能工的消能特性，并与传统的窄缝消能工进行了对比，试验方案见表1，具体参数含义如图1-图3。消能工的消能率可以表示为：η=(H_o-H₁)/H_o，其中H_o=s+h_o+(V_o ²)/(2g)是来流行近流动水头；H₁=h₁+(V₁ ²)/(2g)是水舌上缘落点位置水头(见图1)。

表1方案名称，出口几何参数，特征符号

图5和图6分别是a₂=1.75cm和0cm的齿坎式窄缝消能工的消能特性，可以看到，随着齿坎数的增加，消能率均增加。图7是的齿坎式窄缝消能工和传统窄缝消能工消能率的比较，可以看到，相对于传统的窄缝消能工，齿坎式窄缝消能工可以增加约5％的消能率。

试验资料表明，相对于传统的窄缝消能方法和消能工，齿坎式窄缝消能方法及其消能工，通过对消能工出口流动的分层，增加了层间流动的紊动和摩擦，增加消能量，并且，通过增加出流水舌与空气接触的面积，增加流动的掺气，也增加消能量。本发明提出的消能方法及其消能工，有效性得到充分的论证。

Claims (4)

1.一种齿坎式窄缝消能方法，其特征为，使用齿坎式窄缝消能工对高坝泄水建筑物出口水流实施消能，所述齿坎式窄缝消能工的窄缝侧面由坎（3）和齿（4）构成，所述坎（3）和齿（4）交替排列，并形成收缩比变化和面积变化的水流出口，所述消能的步骤如下：

使水流通过所述齿坎式窄缝消能工，并通过齿（4）和坎（3）对流动（2）进行分层，出口水流在齿（4）和坎（3）作用下分层，并使不同层的流动的流速不同，由此，在不同层间的流动产生紊动和摩擦，增加消能；同时，流动分层以后，在垂向与空气的接触面积得以加大，从而增加掺气，实现消能。

2.根据权利要求1所述的齿坎式窄缝消能方法，其特征为，对出流水舌进行分层采用水平分层。

3.根据权利要求1所述的齿坎式窄缝消能方法，其特征为，对出流水舌进行分层采用扩散式分层。

4.根据权利要求1所述的齿坎式窄缝消能方法，其特征为，分层后的各层层间高度相等。