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消力池计算原理及新旧消力池结构比较

来源:中国水运(下半月); 作者:郑恺原
发布于:2020-03-23 共2228字

  摘    要: 针对常规矩形断面消力池消能效率不高的问题,开展关于非矩形断面消力池的研究。基于水力学原理,从结构设计、流场分布、摩擦阻力、消能效率等方面对其进行对比分析。结果表明,非矩形断面消力池能够增大水流紊动强度,显着提高消能效率,对保障工程经济效益、防止下游河床冲刷等意义重大。

  关键词: 非矩形断面; 消力池; 消能效率; 水力学原理; 对比分析;

  引言

  大型水利工程建筑物在下泄高速水流时,水流的消能是其中的关键性问题,直接关系到工作人员的人身安全和工程的使用年限。现有消能方式主要为挑流式、底流式、面流式三种,其中挑流式消能被广泛应用于许多大型水电站下游,但由于其常常形成雾化等问题,故弊端仍较为显着;而底流式消能则通过形成淹没水跃来提高消能效率,目前正处在推广之中,然而由于常规矩形断面棱柱体消力池结构较为单一,故消能效率有限,制约了其进一步发展。故而有必要在分析消力池计算原理的基础上,进一步研究新型结构的消力池,从而提高消能效率,保障经济效益。

  一、消力池计算原理概述

  当大型水利工程建筑物下泄高速水流时,会形成剧烈翻滚的水跃现象,而淹没式水跃中水流质点间相互混掺,动能交换较为剧烈,且不会显着影响下游的海漫等消能工,故常为消能首选。故在淹没水跃设计条件下,基于现有水力学公式,进行下列计算。
 

消力池计算原理及新旧消力池结构比较
 

  1.池深d计算

  在有效总水头、单宽流量、收缩断面水深、流速系数已知的情况下,可采取试算法或图解法求得收缩断面水深hc0,公式如下:

消力池计算原理及新旧消力池结构比较

  求得收缩断面水深后,可根据如下公式求得弗劳德数

  再由共轭水深关系,推求跃后断面水深

  其中,为水跃跃前断面弗劳德数。求得后,可根据公式

  2.池长l计算

  对于消力池池长l,一般采取以下公式计算

  一般地,若消力池池深与池长均已确定,则该消力池可视为定型。

  二、消力池对比

  为对比常规矩形断面消力池与新型非矩形断面消力池的消能效率,现采取一应用实例加以分析。

  某大型水工建筑物开闸泄水,溢洪道宽度为8.0m,顶端高程为108.0m,河床高程为98.0m,上游水位112.7m,下游水位103.8m,过坝单宽流量q=11.6m3/s。假设棱柱形断面渠道各水力要素沿程不变,进行分析计算。

  1.矩形断面消力池

  按照此前陈述公式及计算方法,矩形断面棱柱形渠道计算结果如表1。

  表1 常规矩形断面渠道消能工参数

  并根据消能效率计算公式

  可求得该常规单甬道消能工消能效率约为52%。

  2.非矩形断面消力池

  对于下述非矩形断面棱柱体渠道消力池,由于无经验公式等直接运用进行计算,故采取复式断面渠道的计算公式,将其分成不同宽浅的复式断面,并综合进行定性分析。

  (1)双甬道棱柱体渠道

  双甬道棱柱体渠道,即为在渠道两侧挖深,中部开挖较浅(如图1)。可观察到在中部凸起部位两侧形成漩涡状流场,能够加大内部水流与渠道的摩擦,从而提升消能效率。

  将渠道断面自左向右分成三个矩形断面部分,采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算,可得出消能效率约为60%~65%。

  图1 双甬道棱柱体渠道剖面流场示意图

  (2)三甬道棱柱体渠道

  三甬道棱柱体渠道,即为在渠道内左、中、右三段挖深,另有两段开挖较浅(如图2)。可观察到两侧挖深部位均形成漩涡状流场,中部挖深部位有明显的流线下凹,增大了液流质点之间的紊动,利于底流消能。

  图2 三甬道棱柱体渠道剖面流场示意图
图2 三甬道棱柱体渠道剖面流场示意图

  将渠道断面自左向右分成五个矩形断面部分,采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算,可得出消能效率约为60%~70%。

  (3)阶梯式棱柱体渠道

  阶梯式棱柱体渠道,即为在中部挖深,两侧下挖较浅,垂直流向形成阶梯状渠道底面(如图3)。可观察到在中部挖深较深处的两侧均形成漩涡状流场,且两侧挖深较浅处形成曲率较大的流线,进一步加大了液流与渠道壁面之间的摩擦阻力;且由于左右两侧与中部存在高度差,故可形成与流向垂直的水力梯度,加大了液流质点之间的混掺作用,提高了消能效率。

  将渠道断面自左向右分成三个矩形断面部分,采取复式断面渠道的计算公式进行初步计算,可得出消能效率约为60%~70%。

  图3 阶梯式棱柱体渠道剖面流场示意图
图3 阶梯式棱柱体渠道剖面流场示意图

  (4)弧形边界式渠道

  弧形边界式渠道,即为将原本棱柱形的渠道边界设置为弧形(如图4)。可观察到由于弧形边界的设置,形成了弧形流线和漩涡状流场,进一步加大了液流与渠道边界、液流之间的摩擦阻力,提高了消能效率。关于该种结构的消力池,目前还无法通过已知参数精确计算其消能效率,但可采取池前、池后观测流速、水深的方法,先计算弗劳德数,再根据公式计算消能效率。

  图4 弧形边界式渠道流场示意图(俯视图)
图4 弧形边界式渠道流场示意图(俯视图)

  三、结论

  通过对常规矩形断面消力池与新型非矩形断面消力池从结构设计、流场分布、摩擦阻力、消能效率等方面进行对比分析,得出以下结论。

  (1)相较于常规消力池,非矩形断面棱柱体渠道增设了许多直角折弯,从而能够形成弧形流线与漩涡状流场,增强了液流质点之间的紊动以及液流与渠道边壁间的摩擦阻力;也可通过底面的高低落差来形成与流向垂直的水力梯度,显着提高了消能效率。

  (2)相较于常规消力池,弧形边界式渠道一改原先矩形棱柱体断面沿程不变的特征,将消力池整体设计成大尺度弧线边壁的涡式渠道,能够在消力池内部形成两个漩涡状流场,通过液流内部的质点混掺来进一步消能。

  (3)新型消力池在保障工作人员人身安全、提高工程经济效益和防止河床下游冲刷等方面具有十分明显的优势,对于目前大型水电站的消能泄洪而言意义重大。如何因地制宜地布设消力池、如何对消力池采取一定的防冲、防渗措施来延长其使用年限等,值得进一步深入研究。

  参考文献

  [1]赵振兴,何建京等.水力学(第二版)[M].北京:清华大学出版社,2010.

作者单位:河海大学
原文出处:郑恺原.基于水力学原理的非矩形断面消力池研究[J].中国水运(下半月),2019,19(11):251-252.
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