CN110984088A - 一种竖直消力井消能率的实验计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种竖直消力井消能率的实验计算方法，属于水工结构工程与模型试验研究领域。本发明依据消力井的设计图纸，采用正态模型，按重力相似准则设计仿真模型并作出仿真模型；分别通过测试不同工况下消力井及其后试验隧道段的水面线、流速分布，可得出排水井+竖井段+消力井段的消能情况。建立能量方程，描述水流流态及消能效果。根据水头损失和井架水位1‑1断面相对于管道出水口水面0‑0基准的水流总能量之比来准确地反映各工况下的消力井消能率η。本发明工艺简单，不仅能够充分消能，同时为实际工程提供借鉴方法，同时还能促进竖直消力井消能效率测定精确度的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种竖直消力井消能率的实验计算方法，属于水工结构工程与模型试验研究领域。
背景技术
消力井也叫做消能井，是减少水流动能的设施。消能过程主要表现在掺气水流从竖井跌入消力井中上、下翻滚，相互冲撞消能。传统的消力井结构简陋，水压对管道壁的冲击大，消能效果并不理想，缺少计算过程，通过简单地观察水流流态判断消能效果的好坏，不能准确地计算消能率。且现有技术中都是消力井图纸设计好后就直接施工了，如果不能提前预知所设计消力井的消能率，施工后可能会发现设计图纸中存在的各种问题，而施工后再修改需要耗费很多的人力及费用，浪费严重。
发明内容
本发明提供了一种竖直消力井消能率的实验计算方法，可以在施工前通过仿真模型计算出不同工况下消力井及其后试验隧道段，排水井+竖井段+消力井段的消能效果。
本发明的技术方案是：一种竖直消力井消能率的实验计算方法，具体步骤如下：
Step1、以设计好的竖直消力井消能段设计图纸为依据；运用相似理论设计出消力井模型中的各部位的几何尺寸及流速测量点和动水压力测量点的布置方案；
Setp2、采用正态模型，按重力相似准则设计仿真模型：依据相似理论及step1中设计的竖直消能井的几何尺寸，确定仿真模型应具备的参数；
Step3、根据step2确定的模型，做出仿真模型；
Step4、测试不同工况下消力井及其后试验隧道段的水面线、流速分布，获知排水井+竖井段+消力井段的水流流态、消能效果；
Step5、建立能量方程，计算出水头损失hw；
Step6、根据水头损失和井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来计算各工况下的消力井消能率η。
具体地，所述Setp2中仿真模型应具备的参数指的是长度、流速、流量、压力、糙率。
具体地，所述步骤5中，以管道出水口水面0-0为基准，列井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面的能量方程为：
式中：Z为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面底板高差；h1、h2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面水深；v1、v2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面平均流速；α1、α2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面动能修正系数，均取为1.0；g为重力加速度；hw为水头损失。
具体地，所述步骤6中，台阶段的消能效果可用能量方程中的水头损失与井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来反映，即消力井阶梯段的消能率η为：
优选地，所述步骤2中，采用有机玻璃为模型制作的材料，模型几何比尺为1:25，各相关物理量的比尺如下：
长度比尺：λL＝25；
流速比尺：λv＝λL 0.5＝5；
流量比尺：λQ＝λL 2.5＝3125；
压力比尺：λP＝λL＝25；
时间比尺：λt＝λL 0.5＝5；
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.71。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过描述水流流态，建立能量方程，准确的反映消力井消能率η与下泄流量Q的关系。在不同工况消力井及其后试验隧道段的试验下，可使水流在紊动动能和紊动耗散率增大从而消耗大部分能量。
2、本发明工艺简单，不仅能够降解水压力，充分消能，为实际工程提供借鉴方法，同时还能促进竖直消力井消能效率测定精确度的提高。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明排水井、消力井段消能计算示意图；
图3为本发明消力井消能率η与下泄流量Q的关系图；
图4为本发明台阶段消能计算示意图。
图中各标号为：列井架水位1-1、出口管道横截面2-2、管道出水口水面0-0。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步地说明。
实施例1：如图1-4所示，一种竖直消力井消能率的实验计算方法，具体步骤如下：
Step1、以设计好的竖直消力井消能段设计图纸为依据；运用相似理论设计出消力井模型中的各部位的几何尺寸及流速测量点和动水压力测量点的布置方案(测量点具体如何布置是根据实际情况来确定的)；
Setp2、采用正态模型，按重力相似准则设计仿真模型：依据相似理论及step1中设计的竖直消能井的几何尺寸，确定仿真模型应具备的参数；
Step3、根据step2确定的模型，做出仿真模型；
Step4、测试不同工况下消力井及其后试验隧道段的水面线、流速分布，获知排水井+竖井段+消力井段的水流流态、消能效果；如表1所示：
表1试验工况表
Step5、建立能量方程，计算出水头损失hw；
Step6、根据水头损失和井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来计算各工况下的消力井消能率η。
进一步地，所述Setp2中仿真模型应具备的参数指的是长度、流速、流量、压力、糙率。
进一步地，所述步骤5中，竖直消力井消能效果计算示意图如图2所示：以管道出水口水面0-0为基准，列井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面的能量方程为：
式中：Z为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面底板高差；h1、h2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面水深；v1、v2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面平均流速；α1、α2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面动能修正系数，均取为1.0；g为重力加速度；hw为水头损失。
本实施例中，工况1时水流从8个排水窗口进入，以堰流形式流入排水井，由于流量太小水流几乎沿竖井壁边缘滑落入消力井中。工况2水流从8个排水窗口进入，以堰流形式流入排水井，8个水舌在立柱后扩散连成一片在中心相互撞击碰撞消能，以一个水股的形式跌入消能井，此时井底的冲击压强相对较大，同时水流带入一定的空气进入消能井内掺气消能后，气体向水面逸出，同时水流流入排水隧洞，水流夹杂大量气泡翻滚剧烈，翻滚影响长度范围约4.5m(原型)，并且水流成间歇周期性波动流向下游，这种间歇周期性的波动流出影响长度范围后减弱。工况3与工况2的前期水流流态大体一致，翻滚影响长度范围约3.6m(原型)，并且水流成间歇周期性波动流向下游，这种间歇周期性的波动流出影响长度范围后减弱。工况4(设计工况)与工况3的前期水流流态大体一致，翻滚影响长度范围约4.5m(原型)，并且水流成间歇周期性波动流向下游，这种间歇周期性的波动流出影响长度范围后减弱。工况5与工况3的前期水流流态大体一致，翻滚影响长度范围约5.0m(原型)，并且水流成间歇周期性波动流向下游，这种间歇周期性的波动流出影响长度范围后减弱。
进一步地，所述步骤6中，根据水头损失和井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来准确地反映各工况下的消力井消能率η。
即消力井阶梯段的消能率η为：
本实施例中各工况下消力井消能率统计如表2所示：
工况1～工况5实测h1、v1、h2、v2及由上述公式计算所得消力井的消能率η见表2，由表2绘制的消力井消能率与下泻流量的关系曲线如图3所示。可见各工况下，消力井的消能率的范围η＝73.22％～98.95％，由表2可知排水井在排泄小流量时消力井的消能效果十分显著，即使在工况4排泄设计流量时其消能效果也比较良好，工况5在排泄大流量时其消能率也能达到73.22％。因此该消力井的尺寸设计较为合理。
表2各工况下的消力井消能率(原型值)
进一步地，所述步骤2中，采用有机玻璃为模型制作的材料，模型几何比尺为1:25，各相关物理量的比尺如下：
长度比尺：λL＝25；
流速比尺：λv＝λL 0.5＝5；
流量比尺：λQ＝λL 2.5＝3125；
压力比尺：λP＝λL＝25；
时间比尺：λt＝λL 0.5＝5；
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.71。
本发明的工作原理是：
根据所求断面建立能量方程，所求得的水头损失和井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来准确地反映各工况下的消力井消能率η。
以管道出水口水面0-0为基准，列井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面的能量方程得：
式中：Z为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面底板高差；h1、h2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面水深；v1、v2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面平均流速；α1、α2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面动能修正系数，均取为1.0；g为重力加速度；hw为水头损失。
台阶段的消能效果(如图4所示，图中：泄洪隧道段坡比i＝0.04，Z为井架水位1-1，h1、h2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面水深；v1、v2分别为井架水位1-1、出口管道横截面2-2断面平均流速；)可用上式中的水头损失与井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来反映，即定义阶梯段的消能率η为：
本发明可以精确地计算消力井的消能率，通过本发明的实验方法，在实际施工前可根据设计图纸先建立消力井及其前后工作环境的模型，通过对仿真模型各工况下消力井消能率的计算，可以知道所设计的消力井的消能效果如何，如果消能效果较好，说明所设计的消力井的结构和尺寸等是合适的，可以正常施工，如果计算得到的消能效果不好，说明所设计的消力井的结构和尺寸等是不合适的，需要进行进一步的修改后再施工，为实际工程提供借鉴方法，可以有效避免因设计不合理导致的实际施工后所产生的经济、人力等方面的损失。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.一种竖直消力井消能率的实验计算方法，其特征在于：具体步骤如下：
Step1、以设计好的竖直消力井消能段设计图纸为依据；运用相似理论设计出消力井模型中的各部位的几何尺寸及流速测量点和动水压力测量点的布置方案；
Setp2、采用正态模型，按重力相似准则设计仿真模型：依据相似理论及step1中设计的竖直消能井的几何尺寸，确定仿真模型应具备的参数；
Step3、根据step2确定的模型，做出仿真模型；
Step4、测试不同工况下消力井及其后试验隧道段的水面线、流速分布，获知排水井+竖井段+消力井段的水流流态、消能效果；
Step5、建立能量方程，计算出水头损失hw；
Step6、根据水头损失和井架水位1-1断面相对于管道出水口水面0-0基准的水流总能量之比来计算各工况下的消力井消能率η。
2.根据权利要求1所述的一种竖直消力井消能率的实验计算方法，其特征在于：所述Setp2中仿真模型应具备的参数指的是长度、流速、流量、压力、糙率。
3.根据权利要求1所述的一种竖直消力井消能率的实验计算方法，其特征在于：所述步骤5中，以管道出水口水面(0-0)为基准，列井架水位(1-1)、出口管道横截面(2-2)断面的能量方程为：
式中：Z为井架水位(1-1)、出口管道横截面(2-2)断面底板高差；h1、h2分别为井架水位1-1、出口管道横截面(2-2)断面水深；v1、v2分别为井架水位(1-1)、出口管道横截面(2-2)断面平均流速；α1、α2分别为井架水位(1-1)、出口管道横截面(2-2)断面动能修正系数，均取为1.0；g为重力加速度；hw为水头损失。
4.根据权利要求3所述的一种竖直消力井消能率的实验计算方法，其特征在于：所述步骤6中，台阶段的消能效果可用能量方程中的水头损失与井架水位1-1断面相对于管道出水口水面(0-0)基准的水流总能量之比来反映，即消力井阶梯段的消能率η为：
5.根据权利要求3所述的一种竖直消力井消能率的实验计算方法，其特征在于：所述步骤2中，采用有机玻璃为模型制作的材料，模型几何比尺为1:25，各相关物理量的比尺如下：
长度比尺：λL＝25；
流速比尺：λv＝λL 0.5＝5；
流量比尺：λQ＝λL 2.5＝3125；
压力比尺：λP＝λL＝25；
时间比尺：λt＝λL 0.5＝5；
糙率比尺：λn＝λL 1/6＝1.71。
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