CN107608930A - 洞塞后部回流长度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种洞塞后部回流长度的计算方法，包括：步骤一：确认洞赛后部回流长度L_b的主要影响因素；步骤二：根据主要影响因素，得出洞赛后部回流区长度L_b的无量纲方程，其中，无量纲方程为：L_b＝f(ρ,μ,D,d,T,u)；步骤三：模拟计算洞赛水流数值；步骤四，得出洞赛相对回流区长度的计算公式，其中，计算公式为：l_b＝‑7.14(d/D)²+3.25(d/D)+2.82，且上述公式所适用的范围为：雷诺数R_ed大于10⁵，且孔径比d/D＝0.4～0.8。本发明提供的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其中，洞赛消能有着构造方便、消能效率高的优点，且不会对环境造成影响，而且通过洞赛相对回流区长度的计算公式，便于多级洞赛的设计，减少相应的劳动时间，提高劳动生产率。

Description

洞塞后部回流长度的计算方法

技术领域

本发明属于航道技术领域，涉及一种检测方法，特别是一种洞塞后部回流长度的计算方法。

背景技术

传统的消能方式是将消能建筑物建设在大坝下面，而这种传统的外部消能需要宽阔的场地，不太适应现在的峡谷建坝的要求，而且这种外部消能容易带来雾化问题，给环境造成破坏。

根据以上传统消能所存在的缺陷，洞赛或者孔板应运而生，而且洞塞或孔板安装在泄洪洞内，借助水流的突缩突扩形成旋滚、剪切而达到消能作用。

洞塞或孔板的能量损失系数是衡量它们消能能力强弱的重要指标，能量损失系数越大，说明它们的消能能力越强；同样，洞塞或孔板的初生空化数代表了它们抵抗空化破坏能力的强弱，初生空化数越小，则表示他们抵御空化破坏的能力越强。

由此可知，洞赛的消能效果与其回流区长度之间存在密切关系，但现有技术还无法确定洞赛后部回流区长度与哪些因素相关。

综上所述，需要设计一种能够精确计算出洞赛后部回流区长度的计算方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种能够精确计算出洞赛后部回流区长度的计算方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种洞塞后部回流长度的计算方法，包括：

步骤一：确认洞赛后部回流长度L_b的主要影响因素；

步骤二：根据主要影响因素，得出洞赛后部回流区长度L_b的无量纲方程，其中，无量纲方程为：L_b＝f(ρ,μ,D,d,T,u)；

步骤三：模拟计算洞赛水流数值；

步骤四，得出洞赛相对回流区长度的计算公式，其中，计算公式为：l_b＝-7.14(d/D)²+3.25(d/D)+2.82，且上述公式所适用的范围为：雷诺数R_ed大于10⁵，且孔径比d/D＝0.4～0.8；

其中，L_b为洞赛后部回流区长度；ρ为水流密度；μ为水流动力粘度；d为洞赛直径；D为泄洪洞直径；T为洞赛厚度；u为泄洪洞内平均流速；l_b为洞赛相对回流区长度；d/D为孔径比。

在上述的一种洞塞后部回流长度的计算方法中，根据步骤二中的无量纲方程，得出洞赛相对回流区长度的无量纲方程：l_b＝f(d/D,T/D,R_ed)，其中，l_b为洞赛相对回流区长度；d/D为孔径比；T/D为厚径比；R_ed为雷诺数。

在上述的一种洞塞后部回流长度的计算方法中，步骤三包括：

步骤A：建立模型方程组；

步骤B：分别处理各个边界条件的方法；

步骤C：试验相对回流区长度与雷诺数的关系，以及在特定雷诺数的情况下，相对回流区长度的试验结果。

在上述的一种洞塞后部回流长度的计算方法中，步骤A中所要建立的模型采用RNGk-ε模型，其中，RNG k-ε模型的控制方程包括如下方程组：质量守恒方程、动量守恒方程、k-方程以及ε-方程。

在上述的一种洞塞后部回流长度的计算方法中，步骤B中的边界条件包括入流边界、出流边界、对称边界以及壁面边界，其中，针对上述各个边界的处理方法如下：

入流边界涉及入流平均流速、湍流动能分布以及湍流动能耗散率分布，其数学表达式分别为：u_in＝u₀；k＝0.0144u₀ ²；ε＝k^1.5/(0.5R)，其中，u₀表示为泄洪洞入口平均流速；R表示为泄洪洞半径；u_in表示泄洪洞进口平均流速；

出流边界的处理方法：假定出流充分发展；

对称轴边界的处理方法：假定径向速度为0，且各变量沿径向的梯度均为0；

壁面边界的处理方法：边界层流中采用无滑移假定，也就是说，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。

与现有技术相比，本发明提供的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其中，洞赛消能有着构造方便、消能效率高的优点，且不会对环境造成影响，而且通过洞赛相对回流区长度的计算公式，便于多级洞赛的设计，减少相应的劳动时间，提高劳动生产率。

附图说明

图1是本发明中洞赛流态的示意图。

图2是本发明中洞赛泄洪的坐标轴示意图。

图3是本发明中相对回流区长度与孔径比之间的模拟曲线图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1至图3所示，本发明提供的一种洞塞后部回流长度的计算方法，包括：

步骤一：确认洞赛后部回流长度L_b的主要影响因素。

由图1可知，一般影响洞赛后部回流长度L_b的因素主要包括以下几个方面：(1)流体特性参数：水流密度ρ(kg/m³)、水流动力粘度μ(N.s/m²)；(2)泄洪洞和洞赛体型参数，其包括：泄洪洞直径D(m)、洞赛直径d(m)、洞赛厚度T(m)；(3)流动特性参数：泄洪洞内平均流速u(m/s)。

步骤二：根据主要影响因素，得出洞赛后部回流区长度L_b的无量纲方程：

L_b＝f(ρ,μ,D,d,T,u) (1)；

在公式(1)的两边各除以泄洪洞直径D(m)，可将上述公式(1)变换成：

L_b/D＝f(d/D,T/D,uDρ/μ) (2)；

即，l_b＝f(d/D,T/D,R_ed) (3)；

其中，l_b＝L_b/D，l_b为洞赛相对回流区长度；R_ed＝uDρ/μ为雷诺数。由公式(3)可以看出，影响洞赛回流区长度的主要因素是孔径比d/D、厚径比T/D和雷诺数R_ed。

步骤三：模拟计算洞赛水流数值。

步骤A：建立模型方程组。

如图2所示，由于洞塞泄洪洞具有严格的轴对称性，可知过洞塞泄洪洞任一轴线的平面水流特性都相同，因此，洞塞的三维数值模拟问题完全可以简化成二维数值模拟。

本实施例中根据图2中的XZ二维泄洪洞平面的水流特性，加以模拟计算，由此得出整个过洞塞泄洪洞各个平面的水流特性。

根据研究成果表明，当雷诺数大于10⁵时，雷诺数对回流区长度、能量损失系数几乎没什么影响。因此，本实施例中采用的泄洪洞直径是0.21m，计算流速为1m/s，并将计算时的雷诺数均设置为大于10⁵。

本实施例中洞赛水流数值模拟采用的模型为RNG k-ε模型，其中，RNG k-ε模型的控制方程包括如下方程组：

(1)质量守恒方程(连续方程)：

(2)动量守恒方程：

(3)k-方程：

(4)ε-方程：

其中，x_i(x,y)表示轴向和径向方向的坐标；u_i(u_x,u_y)表示轴向和径向方向上的水流流速；ρ表示水流的密度；p表示压强；ν表示水流的动力黏度；ν_t表示涡黏度，其中，ν_t＝C_μ(k²/ε)，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率，C_μ＝0.085，C_μ表示断面平均轴向脉冲动能。

其他参数的取值以及表达式如下：

η＝Sk/ε，C₁＝1.42，η₀＝4.377，λ＝0.012，C₂＝1.68,α_k＝α_ε＝1.39。

表示断面轴向脉动动能，C₁、C₂、α_k、α_ε表示标准k-ε模型中的经验常数，η表示真空度，λ表示水头比尺，η₀表示孔径比，S表示源项，G_k表示紊动能方程的生成项。

步骤B：分别处理各个边界条件的方法。

本实施例中的边界条件包括入流边界、出流边界、对称边界以及壁面边界，针对上述各个边界，其处理方式如下：

针对入流边界条件的处理方法，由于入流边界涉及入流平均流速、湍流动能分布以及湍流动能耗散率分布，其数学表达式分别为：u_in＝u₀；k＝0.0144u₀ ²；ε＝k^1.5/(0.5R)，其中，u₀表示为泄洪洞入口平均流速；R表示为泄洪洞半径；u_in表示泄洪洞进口平均流速，k表示紊动能，ε表示紊动能耗散率。

针对出流边界的处理方法：假定出流充分发展。

针对对称轴边界的处理方法：假定径向速度为0，且各变量沿径向的梯度均为0。

针对壁面边界的处理方法：边界层流中采用无滑移假定，也就是说，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。

步骤C：试验相对回流区长度与雷诺数的关系，以及在特定雷诺数的情况下，相对回流区长度的试验结果。

当孔径比d/D为0.6，厚径比T/D为1.0时，相对回流区长度与雷诺数之间的关系，如表1所示，

Red	0.8×105	0.9×105	1.0×105	2.0×105	2.5×105
						lb	2.08	2.14	2.18	2.18	2.18

表1相对回流区长度与雷诺数的试验数据

由表1可以看出，当雷诺数较小时，相对回流区长度随雷诺数的增大而增大，但当雷诺数大于10⁵时，相对回流区长度几乎不随雷诺数的变化而变化。

当雷诺数定为2.0×10⁵时，计算洞赛在不同孔径比和厚径比下的相对回流区长度l_b，如表2所示，

表2孔径比、厚径比以及相对回流区长度的试验数据

由表2可知，当洞赛厚径比变化时，其相对回流区长度几乎没有什么变化，因此，可忽略厚径比对回流区长度的影响。

步骤四，得出洞赛相对回流区长度的计算公式。

由表1可知，当雷诺数大于10⁵时，相对回流区长度几乎不随雷诺数的变化而变化，由表2可知，当雷诺数一定(大于10⁵)，厚径比变化时，相对回流区长度几乎不变，由此可以得出，当忽略厚径比和雷诺数的影响时，洞赛相对回流区长度随着孔径比的增大而减小。根据图3显示的拟合曲线，可以得出洞赛相对回流区长度的计算公式：

l_b＝-7.14(d/D)²+3.25(d/D)+2.82。 (8)

其中，公式(8)所适用的范围为：雷诺数R_ed大于10⁵，且孔径比d/D＝0.4～0.8。

本发明提供的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其中，洞赛消能有着构造方便、消能效率高的优点，且不会对环境造成影响，而且通过洞赛相对回流区长度的计算公式，便于多级洞赛的设计，减少相应的劳动时间，提高劳动生产率。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种洞塞后部回流长度的计算方法，其特征在于，包括：

步骤一：确认洞赛后部回流长度L_b的主要影响因素；

步骤二：根据主要影响因素，得出洞赛后部回流区长度L_b的无量纲方程，其中，无量纲方程为：L_b＝f(ρ,μ,D,d,T,u)；

步骤三：模拟计算洞赛水流数值；

步骤四，得出洞赛相对回流区长度的计算公式，其中，计算公式为：l_b＝-7.14(d/D)²+3.25(d/D)+2.82，且上述公式所适用的范围为：雷诺数R_ed大于10⁵，且孔径比d/D＝0.4～0.8；

其中，L_b为洞赛后部回流区长度；ρ为水流密度；μ为水流动力粘度；d为洞赛直径；D为泄洪洞直径；T为洞赛厚度；u为泄洪洞内平均流速；l_b为洞赛相对回流区长度；d/D为孔径比。

2.根据权利要求1所述的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其特征在于，根据步骤二中的无量纲方程，得出洞赛相对回流区长度的无量纲方程：l_b＝f(d/D,T/D,R_ed)，其中，l_b为洞赛相对回流区长度；d/D为孔径比；T/D为厚径比；R_ed为雷诺数。

3.根据权利要求1或2所述的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其特征在于，步骤三包括：

步骤A：建立模型方程组；

步骤B：分别处理各个边界条件的方法；

步骤C：试验相对回流区长度与雷诺数的关系，以及在特定雷诺数的情况下，相对回流区长度的试验结果。

4.根据权利要求3所述的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其特征在于，步骤A中所要建立的模型采用RNG k-ε模型，其中，RNG k-ε模型的控制方程包括如下方程组：质量守恒方程、动量守恒方程、k-方程以及ε-方程。

5.根据权利要求3所述的一种洞塞后部回流长度的计算方法，其特征在于，步骤B中的边界条件包括入流边界、出流边界、对称边界以及壁面边界，其中，针对上述各个边界的处理方法如下：

入流边界涉及入流平均流速、湍流动能分布以及湍流动能耗散率分布，其数学表达式分别为：u_in＝u₀；k＝0.0144u₀ ²；ε＝k^1.5/(0.5R)，其中，u₀表示为泄洪洞入口平均流速；R表示为泄洪洞半径；u_in表示泄洪洞进口平均流速；

出流边界的处理方法：假定出流充分发展；

对称轴边界的处理方法：假定径向速度为0，且各变量沿径向的梯度均为0；

壁面边界的处理方法：边界层流中采用无滑移假定，也就是说，壁面边界的速度与边界节点速度分量都相等。