專利名稱：一種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利水電工程泄洪洞中一種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法，主要 用于判別這種消能工在不同結(jié)構(gòu)體型和不同來流條件情況下，消能工內(nèi)呈現(xiàn)的是洞塞流流 態(tài)，還是孔板流流態(tài)。
背景技術(shù)：
在高壩工程中，為了消殺庫區(qū)下泄水流的巨大能量，實現(xiàn)庫區(qū)和下游河道上下游 水流的銜接，泄水建筑物需要采取有效的消能工。傳統(tǒng)的消能方式有底流消能，挑流消能 和面流(或戽流)消能等，這些消能方式在水利水電工程的建設(shè)和運行中發(fā)揮了巨大的作 用。隨著工程建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，同時考慮到傳統(tǒng)形式的消能工在工程運用中的特點和存在 的局限性，如底流消能在下游需要有較長的護坦，土石方開挖和混凝土方量較大，工程造價 較高；挑流消能常常會產(chǎn)生強烈的霧化，影響工程安全和下游環(huán)境；面流(或戽流)消能在 下游較長距離范圍內(nèi)引起河道水流的不平穩(wěn)，影響電站運行和下游航運。近年來，由臨時 施工導(dǎo)流洞改建成永久泄洪洞作為一種有效的技術(shù)方案為多個工程采用，施工導(dǎo)流洞的利 用，大大提高了工程的經(jīng)濟效益，更便于合理地進行樞紐布置。在泄洪洞內(nèi)采用突縮突擴式 消能工，結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便、消能率高，有較好的工程應(yīng)用前景。目前，一般根據(jù)突縮突擴式消能工內(nèi)流態(tài)的不同，將其分為洞塞式消能工和孔板 式消能工，當(dāng)突縮突擴式消能工厚度較薄時，水流進入消能工突然收縮，而后直接進入下游 水體，形成這種流態(tài)的突縮突擴式消能工通常稱為孔板消能工(見圖1)。當(dāng)突縮突擴式消 能工厚度較厚時，水流進入消能工，先在孔內(nèi)收縮，然后附著孔的邊壁流動，再進入下游水 體，形成這種流態(tài)的突縮突擴式消能工稱為洞塞消能工。(見圖2)。就突縮突擴式消能工而 言，有兩個重要的特征參數(shù)，其一是孔徑比0，定義為消能工孔的直徑d與泄洪洞直徑D的 比值，即，0 = d/D ；其二是無量綱厚度a，定義為消能工厚度T與泄洪洞直徑D的比值，即， a =T/D(見下圖3)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對于某種厚度的突縮突擴式消能工，隨著工作條件的變 化，如運行的工作水頭，或流速，或雷諾數(shù)(Reynolds number, Re)，當(dāng)這些參數(shù)較小時，呈現(xiàn) 洞塞流流態(tài)；而當(dāng)這些參數(shù)較大時可能出現(xiàn)孔板流流態(tài)，因此，對某種厚度的突縮突擴式消 能工，無論是稱其為孔板消能工還是洞塞消能工，都不盡合理，因為，隨著工作條件的變化， 流態(tài)將發(fā)生變化，因此，發(fā)明人認為，稱這種消能工在某種工作條件下是孔板流流態(tài)或是洞 塞流流態(tài)，是更合理的。在這樣的情況下，如何判別突縮突擴式消能工在某種工作條件下， 屬于何種流態(tài)，即，洞塞流流態(tài)或是孔板流流態(tài)，是重要的，目前，缺乏行之有效的突縮突擴 式消能工流態(tài)的判別方法。圖4和圖5分別是在3 = 0. 5，a = 0. 6和3 = 0. 7，a = 0. 5的兩種體型結(jié)構(gòu) 情況下，當(dāng)來流的雷諾數(shù)Re變化時，從洞塞流流態(tài)到孔板流流態(tài)的變化過程，其中，圖4a和 圖4b、圖5a和圖5b是洞塞流流態(tài)，圖4d和圖4e、圖5d和圖5e是孔板流流態(tài)，而圖4c和圖 5c則是兩種流態(tài)過渡的一個臨界狀態(tài)。由此可見，單一從突縮突擴式消能工結(jié)構(gòu)體型來區(qū) 分是孔板消能工，還是洞塞消能工是不確切的，需要綜合考慮消能工結(jié)構(gòu)體型和工作條件，即來流的水力參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在綜合考慮突縮突擴式消能工的體型結(jié)構(gòu)和來流條件基礎(chǔ)上，提供一種對 這類消能工流態(tài)判別的方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法步驟1獲取消能工孔的直徑d、泄洪洞直徑D以及消能工厚度T，并計算孔徑比3 及無量綱厚度a 孔徑比3為消能工孔的直徑d與泄洪洞直徑D的比值，即3 =d/D；無量綱厚度a為消能工厚度T與泄洪洞直徑D的比值，即a = T/D ；同時，獲取水力參數(shù)雷諾數(shù)Re，S卩Re = vD/(ii/p)，v為來流的速度，y為水的 動力粘度，P為水的密度。步驟2計算臨界厚度a。a c = (3. 33 3 4_8. 01 3 3+7. 02 3 2_2. 68 3+0. 39) X l(T6Re_46. 42 3 4+l 10. 52 3 3-97. 20 3 2+37. 413—4. 94步驟3將臨界厚度a。與無量綱厚度a進行比較當(dāng)a > a。時，為洞塞流流態(tài)； 當(dāng)a = a。時為臨界流流態(tài)；當(dāng)a < a。時為孔板流流態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點是提出的臨界厚度a。，概念清楚。將影響流態(tài)的體型結(jié)構(gòu)參數(shù)和來流水力參數(shù)，與 臨界厚度直接建立函數(shù)關(guān)系系式，流態(tài)判別方法思路清晰，簡單易行，準(zhǔn)確可靠。


圖1是孔板消能工示意圖。圖2是洞塞消能工示意圖。圖3是消能工參數(shù)示意圖。圖4是體型結(jié)構(gòu)參數(shù)為3 = 0.5, a = 0. 6時，消能工流態(tài)演變狀況，其中，4a和 4b分別是雷諾數(shù)Re為0. 1 X 106和17. 53X 106時，消能工呈洞塞流流態(tài)，4c是雷諾數(shù)Re 為26. 29X 106時，消能工呈洞塞流流態(tài)到孔板流態(tài)演變過程，4d和4e分別是雷諾數(shù)Re為 35. 06X 106和52. 59X 106時，消能工呈孔板流流態(tài)。圖5是體型結(jié)構(gòu)參數(shù)為日=0.7，a = 0. 5時，消能工流態(tài)演變狀況，其中，5a 和5b分別是雷諾數(shù)Re為0. 1 X 106和4. 38X 106時，消能工呈洞塞流流態(tài)，5c是雷諾數(shù)Re 為16. 65 X 106時，消能工呈洞塞流流態(tài)到孔板流態(tài)演變過程，5d和5e分別是雷諾數(shù)Re為 58. 72X 106和70. 11 X 106時，消能工呈孔板流流態(tài)。圖6是本發(fā)明的方法流程圖。圖7是流態(tài)判別曲線圖。
具體實施例方式一種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法步驟1獲取消能工孔的直徑d、泄洪洞直徑D以及消能工厚度T，并計算孔徑比3 及無量綱厚度a 即，0 = d/D, a = T/D，同時，獲取水力參數(shù)雷諾數(shù)Re，Re = vD/(u/ P)，v為來流的速度，P為水的動力粘度，P為水的密度。步驟2計算臨界厚度a。，即a c = (3. 33 3 4_8. 01 3 3+7. 02 3 2_2. 68 3+0. 39) X l(T6Re-46. 42 3 4+l 10. 52 3 3
-97. 20 3 2+37. 413-4. 94步驟3將臨界厚度a。與無量綱厚度a進行比較當(dāng)a > a。時，為洞塞流流態(tài)； 當(dāng)a = a。時為臨界流流態(tài)；當(dāng)a < a。時為孔板流流態(tài)。本發(fā)明對突縮突擴式消能工，提出了臨界厚徑a。概念和計算方法，通過消能工厚 度a與臨界厚度的比較，判別突縮突擴式消能工運行中的流態(tài)，是洞塞流流態(tài)還是孔板流 流態(tài)。臨界厚徑a。定義為突縮突擴式消能工在工作條件下，水流流動發(fā)生從洞塞流流 態(tài)過渡到孔板流流態(tài)，或從孔板流流態(tài)過渡到洞塞流流態(tài)的一種臨界流動狀態(tài)時，消能工 所需要的厚度，即，ac = Tc/D0圖7是不同孔徑比0的突縮突擴式消能工結(jié)構(gòu)，雷諾數(shù)Re與臨界厚度a。的關(guān) 系曲線圖。由圖可以看出在各個不同的孔徑比之下，臨界厚度與雷諾數(shù)基本成線性關(guān)系。 對于給定的消能工厚度a和消能工的孔徑比3，在確定其運行的雷諾數(shù)Re，查得若此消能 工厚度a在相應(yīng)的曲線之上，則其流態(tài)為洞塞流流態(tài)，反之，在曲線之下，流態(tài)為孔板流流 態(tài)。由此，可以方便地判別突縮突擴式消能工的工作流態(tài)。發(fā)明人將這種曲線關(guān)系擬合成 一個臨界厚度a。關(guān)系表達式a c = (3. 33 3 4_8. 01 3 3+7. 02 3 2_2. 68 3+0. 39) X l(T6Re-46. 42 3 4+l 10. 52 3 3-97. 20 ^2+37. 41^-4. 94當(dāng)a > a。時，為洞塞流流態(tài)；當(dāng)a = a。時為臨界流流態(tài)；當(dāng)a < a。時為孔 板流流態(tài)。
權(quán)利要求
一種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法，其特征在于，步驟1獲取消能工孔的直徑d、泄洪洞直徑D以及消能工厚度T，并計算孔徑比β及無量綱厚度α孔徑比β為消能工孔的直徑d與泄洪洞直徑D的比值，即β＝d/D；無量綱厚度α為消能工厚度T與泄洪洞直徑D的比值，即α＝T/D；同時，獲取水力參數(shù)雷諾數(shù)Re，即Re＝vD/(μ/ρ)，v為來流的速度，μ為水的動力粘度，ρ為水的密度。步驟2計算臨界厚度αcαc＝(3.33β4-8.01β3+7.02β2-2.68β +0.39)×10-6Re-46.42β4+110.52β3 -97.20β2+37.41β-4.94步驟3將臨界厚度αc與無量綱厚度α進行比較當(dāng)α＞αc時，為洞塞流流態(tài)；當(dāng)α＝αc時為臨界流流態(tài)；當(dāng)α＜αc時為孔板流流態(tài)。
全文摘要
一種突縮突擴式消能工流態(tài)的判別方法，獲取消能工孔的直徑d、泄洪洞直徑D以及消能工厚度T，并計算孔徑比β及無量綱厚度α孔徑比β為消能工孔的直徑d與泄洪洞直徑D的比值，即β＝d/D；無量綱厚度α為消能工厚度T與泄洪洞直徑D的比值，即α＝T/S；獲取水力參數(shù)雷諾數(shù)Re，即Re＝vD/(μ/ρ)，v為來流的速度，μ為水的動力粘度，ρ為水的密度。計算臨界厚度αcαc＝(3.33β4-8.01β3+7.02β2-2.68β +0.39)×10-6Re-46.42β4+110.52β3-97.20β2+37.41β-4.94。將臨界厚度αc與無量綱厚度α進行比較當(dāng)α＞αc時，為洞塞流流態(tài)；當(dāng)α＝αc時為臨界流流態(tài)；當(dāng)α＜αc時為孔板流流態(tài)。
文檔編號E02B8/06GK101858069SQ20101020781
公開日2010年10月13日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者吳建華, 周琦, 王靜清, 艾萬政, 苗沐露, 許唯臨, 邱海娟 申請人:河海大學(xué);四川大學(xué)