CN108108551B - 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法 - Google Patents

一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108108551B
CN108108551B CN201711356353.5A CN201711356353A CN108108551B CN 108108551 B CN108108551 B CN 108108551B CN 201711356353 A CN201711356353 A CN 201711356353A CN 108108551 B CN108108551 B CN 108108551B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow
vent hole
rotational flow
horizontal rotational
spinner
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201711356353.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108108551A (zh
Inventor
牛争鸣
李奇龙
蒋雁森
李一川
余聪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Technology
Original Assignee
Xian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Technology filed Critical Xian University of Technology
Priority to CN201711356353.5A priority Critical patent/CN108108551B/zh
Publication of CN108108551A publication Critical patent/CN108108551A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108108551B publication Critical patent/CN108108551B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B8/00—Details of barrages or weirs ; Energy dissipating devices carried by lock or dry-dock gates
    • E02B8/06—Spillways; Devices for dissipation of energy, e.g. for reducing eddies also for lock or dry-dock gates

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Abstract

本发明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。

Description

一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法
技术领域
本发明属于泄洪消能设施装置技术领域，具体涉及了一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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
Figure BDA0001511168600000021
计算起旋器孔口面积Aq；
步骤3，根据公式
Figure BDA0001511168600000022
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。
本发明的特点还在于：
上述设计流量Q范围为800～1500m3/s，作用水头范围为60～150m。
本发明的水平旋流泄洪洞通气孔设计方法简单有效，可以保证依据本发明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是本发明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发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明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。
发明人发现，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，发明人设计了如图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1 FrФ/Frq与Фt/Q的关系
h/D＝0.5
H/D Ф<sub>t</sub>(m<sup>3</sup>/s) Q(m<sup>3</sup>/s) Ф<sub>t</sub>/Q Fr<sub>Ф</sub>/Fr<sub>q</sub>
14 264 2999 0.088 2.624
12 170 2754 0.062 1.842
10 153 2490 0.061 1.832
8 145 2231 0.065 1.941
6 136 1882 0.072 2.161
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
Figure BDA0001511168600000051
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；
Figure BDA0001511168600000052
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
Figure BDA0001511168600000053
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。
Figure BDA0001511168600000054
(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≈0.06，Фt＝60m3/s。
(4)依据Фt/Q＝0.0338(FrФ/Frq)-0.0007确定FrФ。
由Фt/Q＝0.06和Фt/Q＝0.0338(FrФ/Frq)-0.0007得出FrФ/Frq≈1.796，所以FrФ＝1.817。
(5)依据公式FrФ＝(Фt/AФ)/(gH)0.5确定AФ。
AФ≈1.054m2，D0＝1.16m，取D0＝1.2m。
为了验证本发明方法可行，将本方法设计的通气孔与设计规范进行比较。依据通气孔的风速标准v≦60m/s和旋流洞内允许具有一定的负压，依据上、下游水位条件，通气孔直径变化导致的Фt/Q与Frq关系，校核与综合分析
Figure BDA0001511168600000061
最终发现误差在行业允许范围内，证明了本方法的有效性。
实施例二
某工程拟将导流洞改建为淹没式竖井进流水平旋转内消能泄洪洞。设计流量Q为1025m3/s，上游作用水头H为150m，竖井与导流洞的直径均为14m，下游水位h＝8m。起旋器为一般的收缩式切向入流起旋器，起旋器孔口面积Aq为35.168m2。
(1)按上面的设计条件与要求，起旋器孔口面积应为Aq＝35.168m2，起旋器孔口流速
Figure BDA0001511168600000062
再按照按起旋器孔口的流速计算公式vq＝j[2g(H-p1/ρg)]1/2<29m/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≧100m。
(2)依据竖井、起旋器的几何形式、尺寸与布置型式，计算Frq。
Figure BDA0001511168600000071
(3)依据本案例条件中的上游水位H以及H/D与Фt/Q的关系确定Фt/Q。
由H/D＝10.7和Фt/Q＝0.0002(H/D)3-0.0051(H/D)2+0.04(H/D)-0.03得出Фt/Q≈0.059，Фt＝59m3/s。
(4)依据相应的FrФ/Frq与Фt/Q经验关系确定FrФ。
由Фt/Q＝0.059和相应的经验关系Фt/Q＝0.0338(FrФ/Frq)-0.0007(见图2)得出FrФ/Frq≈1.770，所以FrФ＝1.345。
(5)依据公式FrФ＝(Фt/AФ)/(gH)0.5确定AФ。
AФ≈1.144m2，D0＝1.207m，取D0＝1.2m。
将本方法设计的通气孔与设计规范进行比较。依据通气孔的风速标准v≦60m/s和旋流洞内允许具有一定的负压，依据上、下游水位条件，通气孔直径变化导致的Фt/Q与Frq关系，校核与综合分析
Figure BDA0001511168600000072
最终发现误差在行业允许范围内，证明了本方法的有效性。

Claims (1)

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、重力加速度g、空腔旋转流携气量傅汝德数FrФ、通气孔通气量Фt；
步骤2，根据起旋器孔口面积公式
Figure FDA0003109294270000011
计算起旋器孔口面积Aq；
步骤3，根据公式
Figure FDA0003109294270000012
计算起旋器孔口水流傅汝德数Frq；
步骤4，通过气水比Фt/Q与H/D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FrФ/Frq与气水比Фt/Q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孔径即可确定进口形式，完成通气孔的设计；
所述设计流量Q范围为800～1500m3/s，作用水头范围为60～150m。
CN201711356353.5A 2017-12-16 2017-12-16 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法 Expired - Fee Related CN108108551B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711356353.5A CN108108551B (zh) 2017-12-16 2017-12-16 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711356353.5A CN108108551B (zh) 2017-12-16 2017-12-16 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108108551A CN108108551A (zh) 2018-06-01
CN108108551B true CN108108551B (zh) 2021-09-10

Family

ID=62216452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711356353.5A Expired - Fee Related CN108108551B (zh) 2017-12-16 2017-12-16 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108108551B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110158551B (zh) * 2019-04-30 2021-03-02 华能澜沧江水电股份有限公司 一种泄洪洞多通气孔供气系统的优化设计方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2159789A1 (fr) * 1994-10-04 1996-04-05 Abdellatif Smati Decanteur longitudinal a separation de flux
CN103758093A (zh) * 2013-12-31 2014-04-30 四川大学 一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞
AU2015200474A1 (en) * 2009-05-28 2015-02-19 Mars, Incorporated Pet food in the form of a coated kibble
CN106087902A (zh) * 2016-07-28 2016-11-09 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构及排水方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2159789A1 (fr) * 1994-10-04 1996-04-05 Abdellatif Smati Decanteur longitudinal a separation de flux
AU2015200474A1 (en) * 2009-05-28 2015-02-19 Mars, Incorporated Pet food in the form of a coated kibble
CN103758093A (zh) * 2013-12-31 2014-04-30 四川大学 一种适用于高水头的多级水垫旋流竖井泄洪洞
CN106087902A (zh) * 2016-07-28 2016-11-09 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 用于沟水处理的排水洞漩流竖井消能结构及排水方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
水平旋流泄洪洞的基本流态与影响因素;牛争鸣 等;《水利水电科技进展》;20070831;第27卷(第4期);第1-5页 *
表孔、底孔联合泄洪流场数值模拟与冲刷趋势分析;李国栋 等;《四川大学学报( 工程科学版)》;20160531;第48卷(第3期);第27-34页 *
阻塞式旋流泄洪洞的泄量特性分析;牛争鸣 等;《水力发电学报》;20150131;第34卷(第1期);第139-146、188页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108108551A (zh) 2018-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109253113A (zh) 吸油烟机用多翼离心风机蜗壳型线设计方法及其多翼离心风机蜗壳
CN204644991U (zh) 一种竖井消能装置
CN110617238B (zh) 一种离心泵叶轮的优化设计方法
CN111120401A (zh) 一种基于naca翼型的多翼离心通风机叶片设计方法
CN109058157B (zh) 一种离心叶轮及其空心叶片
CN111425450A (zh) 一种带有前尾缘仿生锯齿结构的离心泵叶片
CN108108551B (zh) 一种水平旋流泄洪洞通气孔设计方法
CN106704259A (zh) 叶片
CN206636828U (zh) 一种小尺寸混流式叶轮
CN211648574U (zh) 一种具有抗空蚀叶片的离心泵
CN108980103B (zh) 一种带进口小翼的前向多翼离心通风机叶轮的设计方法
CN100376828C (zh) 蝶形阀的阀体
CN113153812B (zh) 一种c型启动前弯式多翼离心风机叶轮及制备方法
CN105756981A (zh) 一种用于无壳离心风机的降噪风机墙
CN105317734A (zh) 一种脊状表面减阻的翼型叶片
CN204493271U (zh) 一种离心风机叶轮
CN204003615U (zh) 一种离心风机的蜗壳
CN104047891B (zh) 一种叶轮、水泵及其水泵的设计方法
CN206360924U (zh) 一种离心泵叶轮
CN212202595U (zh) 一种带有前尾缘仿生锯齿结构的离心泵叶片
CN205639022U (zh) 一种用于无壳离心风机的降噪风机墙
CN206309650U (zh) 一种回流器及包含其的离心式压缩机
CN204113732U (zh) 一种双吸叶轮
CN106485013B (zh) 一种反击式水轮机及其活动导叶及其补气孔设计方法
CN112049817B (zh) 一种基于仿生学的贯流风机叶片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210910

Termination date: 20211216