压力输水管道出口多孔射流消能特性研究与工程应用

论文摘要

多喷孔淹没式套筒阀是一种用于压力管道出口的新型消能型式,它是利用多股多层喷孔使水流高速喷出后在阀室内卷吸、掺混,形成强烈紊动水流来消减输水管道出口的剩余能量,喷孔的大小、数量、以及布置方式决定了该消能工的消能效率。目前,对于管道出口多孔射流的研究,多集中于动力工程中的混合问题和环境工程中物质的扩散问题,而对于利用多孔射流的紊动特性来消除水利水电工程中输水管道出口剩余能量的研究目前尚不多见。针对工程应用迫切需要对其水力参数、消能特性等进行研究,为套筒阀阀室设计提供科学依据,这将对工程应用具有十分重要的意义。本文在回顾前人研究的基础上,结合山西省万家寨引黄工程,对压力管道出口多喷孔射流消能的复杂流动进行了数值模拟和试验研究,主要研究内容和成果有:（1）从试验研究和数值模拟的角度出发,首次对压力管道出口多喷孔射流消能这种复杂体型流动进行了较系统的研究,取得了一些可供设计和进一步科研工作参考的研究成果。采用RNGκ-ε紊流模型实现了对这一新型消能型式的三维数值模拟,并结合文献中的试验资料对数值模拟计算进行了验证,结果显示计算值与试验值吻合较好,表明了所采用的数学模型的可靠性,以及模拟计算的合理性。（2）提出了断面余能比概念,并以此通过分析比较不同喷孔个数以及喷孔布置方式下的消能效果。计算结果表明:射流动量的分散程度是决定消能效果的关键,喷孔的大小、数量、以及布置方式决定了该消能工的消能效率。喷孔交错梅花状布置的消能效果明显优于平行排列的布置方式,给出了断面余能比与喷孔个数的变化曲线。随着喷孔数的增加,消能效果显著提高,但是喷孔数增加到一定数目时,变化显著减缓,因而并不需要喷孔的无限加密,就可以实现能量的最大衰减。（3）分析讨论了多喷孔射流进入阀室后的水流结构与消能机理,研究结果表明:多喷孔射流进入消能水体后,射流水股与周围水体接触面积极大增加,在距离喷孔出口0.41m左右的范围内射流能量迅速衰减,加之各水股间的相互卷吸、掺混,形成了多个强剪切消能区,消能率较高。同时,由于各漩滚的相互作用,可有效减小其对阀室固壁的冲刷。（4）在试验研究和数值计算的基础上,将压力管道出口多喷孔消能在万家寨引黄工程中进行了成功的应用,取得了显著的经济技术效益,为压力管道多喷孔消能在水利水电工程中的推广应用打下了坚实的基础。对调节阀室的形状、大小对室内流动特性的影响进行了三维数值模拟研究,选择出了消能效果最优的阀室体型。并对优化后的体型、堰后消力池和进水前池进行了模型试验验证,设计制作了多孔射流的水力学模型,测试了各种工况下的水流流态,获得了流速分布、水面线、消能率等水力参数。试验结果表明:这种调节阀室具有占地面积小、消能效率高等优点,可以确保水流平稳地进入下游,有效的解决了压力管道出口消能这一技术难题。（5）结合万家寨引黄联接段输水工程,对压力管道出口在无控制泄放情况下的消能问题进行了模型试验并修改和完善了设计方案,试验确定了消能竖管周边的开孔大小、布置方式及开孔总面积,解决了压力管道输水中落差大、流量变幅大情况下的消能问题,保证了有压管道流输水的运行条件和水流平稳进入下游。为压力管道出口流量调节和消能提供了宝贵的经验。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 前言
• 1.1 论文（课题）研究的背景及意义
• 1.2 射流的研究进展（射流理论的回顾与评述）
• 1.2.1 射流的类型
• 1.2.2 射流特性
• 1.2.3 射流的研究方法
• 1.3 多孔射流的实验与数值研究进展
• 1.3.1 多孔紊动射流数值方法的研究
• 1.3.2 多孔紊动射流的实验研究
• 1.4 管道出口射流消能的国内外研究动态
• 1.4.1 管道出口的消能型式
• 1.4.2 管道出口射流消能问题与其他射流问题的共性与区别
• 1.5 本文研究的内容
• 2 紊流模型与控制方程
• 2.1 紊流数值模拟方法
• 2.2 紊流模型及选择
• 2.2.1 紊流模型的比较
• 2.2.2 紊流模型的选取
• 2.3 基本控制方程的建立
• 2.4 控制方程的离散及求解
• 2.4.1 通用方程的离散
• 2.4.2 压力校正方程
• 2.4.3 边界条件的处理
• 2.4.4 代数方程组的求解
• 2.5 小结
• 3 单、双孔射流数值模拟及实验验证
• 3.1 单孔射流流场的模拟
• 3.2 双孔射流流场的模拟
• 3.3 实验验证
• 3.3.1 流量的测量
• 3.3.2 实验工况
• 3.4 数值模拟与实验值的比较
• 3.5 小结
• 4 多孔射流流场模拟及消能分析
• 4.1 表面波动特性的VOF法模拟
• 4.1.1 VOF法简介
• 4.1.2 流场比较
• 4.2 消能效果分析
• 4.3 时均流速沿轴线变化规律
• 4.4 不同喷孔的射流流场下底板中线的压强分布
• 4.5 流态分析
• 4.5.1 纵剖面的流态分析比较
• 4.5.2 横剖面的流态分析比较
• 4.6 紊动能分布
• 4.7 小结
• 5 调节阀室的形状和大小对消能的影响
• 5.1 调节阀室的大小对多喷孔消能的影响
• 5.1.1 时均流速沿轴线变化规律
• 5.1.2 底板压强沿轴线变化规律
• 5.1.3 紊动能、紊动能耗散率
• 5.2 调节阀室的形状对多喷孔消能的影响
• 5.3 最优体型的模型试验验证
• 5.3.1 工程概况及试验目的内容
• 5.3.2 模型设计与制作
• 5.3.3 试验成果及分析
• 5.3.4 修改消力池
• 5.3.5 运行状况
• 5.4 本章小结
• 6 压力管道出口水流消能方法的应用研究
• 6.1 工程概况
• 6.2 消能方案的确定
• 6.3 模型设计和试验方法
• 6.3.1 模型比尺及范围的确定
• 6.3.2 模型制作及量测仪器
• 6.3.3 模型的相似性及压力控制
• 6.4 试验成果及分析
• 6.4.1 各工况支管过流能力的确定
• 6.4.2 消力池及西干渠的流态、流速分布与水面线
• 6.4.3 消能情况
• 6.4.4 运行情况
• 6.5 本章小结
• 7 结语
• 7.1 研究结论
• 7.2 进一步研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录