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高水头不同流量下旋流竖井关键体型参数研究

2025-01-03 60 上传者：管理员

摘要：九峰山抽水蓄能电站旋流竖井具有消能水头高、流量变化大的特点，竖井体型设计需满足大、小流量下均可起旋、贴壁进入竖井，竖井内不产生负压，消能效果好，后续流态稳定。通过对涡室体形选择，涡室结构尺寸及竖井尺寸确定，消力井深度等关键体型参数进行设计研究，并采用1∶40的正态模型开展水工模型试验，从流态、压力分布、消力井深度、消能率等方面对旋流竖井的体型进行验证。结果表明：采用的旋流竖井体型参数可满足高水头不同流量下的运用要求，未出现不良水力特性，相关设计思路及设计参数可为类似工程提供参考。

关键词：
体型参数
旋流竖井
水工模型试验
消力井
涡室
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竖井旋流消能利用旋流的离心力作用，在壁面上形成正压力，不易发生空化现象，而且由于水流的旋转作用，形成较稳定的空腔，有利于空气掺混，减轻了空蚀作用，同时还因为水流的旋转，加大了水流流程与紊动，提高了消能率，减轻了隧洞出口的冲刷和雾化现象。因此，在一些复杂的地形条件、泄洪建筑物布置困难的地区，竖井旋流消能得到了越来越多的应用[1-2]。

由于旋流消能泄洪洞是通过水流剧烈紊动消能，需要对隧洞泄流能力、水流流态、消能特性、时均压强与脉动压强以及空化特性等进行专门研究。目前，旋流竖井泄洪洞的研究仍以水工模型试验和数值模拟为主。

根据九峰山抽水蓄能电站下水库的地形条件，泄水建筑物布置困难，经过多方案比选，最终确定采用旋流竖井导水洞，将其布置于下水库右岸山体，由隧洞进口、上平洞、旋流竖井、退水洞、出口消力池、导水明渠组成，总长约2 030 m。旋流竖井导水洞应用具有的特点为：1）流量变化范围大。进口未设置流量控制设施，使得进入旋流竖井的流量为0～220.3 m3/s，涡室设计要保证在任何流量下均具有较好的起旋效果。2）竖井消能水头高。本工程总消能水头约220 m，仅次于两河口及双江口水电站。

目前，对旋流竖井涡室的研究主要集中在高水头大流量工况及缓流小流量工况两个方面[3-5]，对急流小流量的研究较少[6-7]，九峰山抽水蓄能电站包括了高水头小流量及高水头大流量两种情况。本文针对九峰山抽水蓄能电站旋流竖井导水洞竖井体型设计进行研究，确保在大、小流量下，涡室均可起旋、贴壁进入竖井，竖井体型具有足够的空腔，消力井深度满足消能效果及后续流态稳定。采用1:40的正态模型开展水工模型试验，从流态、流速、时均压力、脉动压力、水流空化数、消能率等方面对旋流竖井的体型设计进行验证。

1、旋流竖井导水洞关键体型参数设计

九峰山抽水蓄能电站旋流竖井总高206 m，包括涡室、锥形过渡段、竖井及消力井，是旋流竖井导水洞设计的关键。

1.1 涡室体形选择

涡室是旋流式竖井水流起旋的关键，常用的几种典型的涡室体形包括螺旋形涡室、双圆弧涡室、椭圆曲线涡室、圆弧涡室等，其中螺旋形涡室、双圆弧涡室体形过于复杂，不利于施工，在国内的应用不多。圆弧涡室和椭圆曲线涡室因体形简单、工程经济性强而应用广泛，如在沙牌、溪洛渡、清远等工程中得到成功应用。赵建永等[8]利用泄流数描述旋流式竖井的泄流能力，椭圆曲线涡室不仅适合大泄流数旋流式竖井，也适合小泄流数工程，说明椭圆曲线涡室体形的水力学特性良好，适用于绝大多数旋流式竖井。

此外，赵建永等[6]针对急流小流量的工况研究了圆弧涡室和椭圆曲线涡室两种常用的涡室体型，表明圆弧涡室体型不适合急流小流量情况，即使增设导流坎和折流坎也不起作用；椭圆弧涡室体型无论流量多少，都能形成贴壁螺旋流，流态理想，满足工程需要。通过加大涡室来流段底坡坡度及设置导流坎可以有效解决壅水问题，各种流量均能形成良好的竖井流态。

因此，本工程涡室需要满足大、小不同流量条件，采用椭圆曲线涡室体型。

1.2 涡室结构尺寸确定

要保证竖井建筑物顺利泄流和消能，涡室必须要有足够的泄流能力、一定的水流环向速度、稳定通畅的气核空腔。涡室的泄流能力主要由其最小空腔断面控制，该断面位于涡室下部渐变锥形段处。空腔过小可能导致“呛水”现象，使涡室内全断面壅水，螺旋流自然消失，水流直接跌落，因此涡室直径必须足够大。由于受离心力和重力作用，涡室和竖井内螺旋流合成速度较高，为避免空化空蚀，井壁压力应足够大。竖井井壁压力由旋流离心力产生并沿程降低，故应尽可能提高螺旋流的环向速度。涡室内水流的环向速度与引水道来流速度和涡室直径大小有关，引水道水流进入涡室时的速度切向分量即为初始环向速度。在初始环向速度一定时要提高涡室内螺旋流的环向速度就需要涡室直径尽可能的小[9]。因此，选择合理、有效、经济的涡室结构尺寸，对工程实际运行有重要意义。

旋流竖井及涡室的尺寸根据董兴林等[4-5]提出的方法进行计算[涡室直径通过竖井直径按Dv=(1.2～1.6)D,D为竖井直径]。涡室同引水道的一侧边墙采用1/4椭圆曲线连接，引水道与涡室圆心间距△可取（0.5～0.65)Dv、椭圆中心与涡室圆心间距K取（0.5～1.0)Dv，椭圆曲线方程为X2/（△+0.5Dv)2+Y2/（K+0.5B)2=1。

1.3 竖井尺寸确定

竖井直径的确定方法有理论法与半经验法两种。理论法因流量系数比较复杂，有待进一步研究。半经验法基于旋涡弗劳德数Frv=1.61，空腔半径同涡井半径之比为0.4时，涡井不发生呛水现象，得出竖井直径估算式[5]:

式中：D为旋流竖井直径；Q为最大过流流量；g重力加速度。

郭一萌等[7]通过试验研究发现，在小流量旋流竖井中，半经验公式临界值Frv=1.61偏小。为了使水流充分起旋，涡室进口水流弗劳德数为2.18，而在进口流速增加的情况下，竖井内空腔直径也相应增加，因此需要将临界条件r/R由0.40修正为0.60。

大流量时，Frv较小，竖井直径必须足够大；小流量时，Frv较大，竖井直径要较小，以提高螺旋流的环向速度，因此大、小流量时，竖井直径取值是相互矛盾的。

考虑到竖井直径不足时将发生呛水，危害性较大，竖井直径较大在小流量时将发生跌水，危害性较小，竖井直径按大流量控制，小流量时通过模型试验进行验证。

1.4 消力井深度确定

吕鸣聪等[10]通过模型试验与理论分析，得到旋流式竖井底部消能区压力特性：旋流式竖井底部消能区侧壁压力与井深关系不大，随流量同步增减，则控制侧壁结构的因素是大流量时的压力；通过拟合的底板最大冲击压力公式，建议竖井深度与直径比h/D>1.2。

赵灿华等[11]、南洪等[12]通过模型试验得知：消力井井深增大时，底板压强分布趋于均匀，最大冲击压强降低，脉动强度也降低，且总消能率略有上升、但影响不明显；在此基础上，以底板压强分布均匀性和最大冲击压强为优化依据。

根据上述研究，本工程消力井深度h应大于7.2 m，设计值取10.0 m。

1.5 旋流竖井布置

涡室内径取9.0 m，竖井内径6.0 m，涡室进口采用1/4椭圆曲线与R=4.5 m圆弧连接，椭圆曲线方程为x2/10.82+y2/7.02=1，末端设水平导流坎半径3.2 m与R=4.5 m圆弧连接，水平挑坎圆心角度101.94°。涡室和竖井之间设置高度为15.0 m的锥形过渡段，过渡段收缩角5.61°，竖井底部设置高度10.0 m消力井。

2、水工模型试验验证

为了验证九峰山抽水蓄能电站旋流竖井导水洞体型设计的合理性，特别是在任何流量下均要保证起旋消能效果及涡室空腔面积，按照重力相似准则，采用1∶40的正态模型，研究了各种流量情况下旋流竖井各部位的流态、流速、时均压力、脉动压力、水流空化数、消能率等内容。通过试验重点对涡室以及消力井深度进行优化，达到各级流量下均能起旋、贴壁进入竖井，避免中小流量下直接跌入竖井等不利流态出现；减小竖井底部及出口压坡段的脉动压力，防止结构空蚀及振动破坏，提出合理的水垫深度。

2.1 模型设计与制作

模型按重力相似准则设计，根据试验要求、原型水流特性结合试验场地等条件，确定模型几何比尺λL=40，各物理量的比尺与几何比尺的关系见表1（各建筑物采用透明的有机玻璃加工制作）。

表1 试验各物理量的模型比尺

2.2 旋流竖井流态

水流沿引水道进入涡室后沿涡室边壁旋转，在涡室中心形成光滑的大气腔，由于顶部吸入空气，整个涡室内水流呈现乳白色，流量从小变大时涡室内流态始终稳定，涡流的旋转逐渐加强。水流从涡室进入竖井后，均沿着井壁呈螺旋状下泄，泄量越大螺旋流越明显，且沿高度方向上的螺旋流发展距离也越大，水流流向与垂直线的倾角沿竖井深度方向逐渐减小。小流量时，井内旋流逐步转换为贴壁竖向流；大流量时，整个竖井范围内均为贴壁旋流。各种流量下，竖井内均为乳白色掺气水流，竖井中心存在一个上下连通的分离形空腔，有利于防止井壁空蚀，该空腔一直延续到井底水垫表面，涡心直径从上到下逐渐增大。水流从竖井贴壁进入消力井，大流量时为贴壁旋流为主、小流量时为贴壁竖向流为主。

通过加大涡室来流段底坡及缩窄进入涡室水道宽度，可起到延长竖井段旋流扩散长度的作用，小流量时在竖井中上部位置处转变为了贴壁竖向流，大流量时可延长至竖井下部。

2.3 旋流竖井压力分布

水流进入涡室后，因旋流离心作用在涡室及渐变段边墙上均会出现较大的正压。水流出涡室渐变段后，受收缩影响，井壁压力略有降低，之后在旋流作用下压力增加。随着竖井深度的增加，水流垂直速度增大，下半段的井壁压力逐渐减小。进入消力井后，受底板对水流的顶托作用，井内旋滚水流发生强迫性转向、减速，使水流动能转为压能，压力逐渐增大。

2.4 消力井深度

消力井内水流会形成绕井壁做环向和沿井深纵向的三元旋滚，消力井内水流撞击翻滚，形成乳白色的渗气水流，消耗高速水流中的能量。消力井深度为10.0 m时，掺气水流在大流量时冲击到消力井底板，且消力井出口出现明满流，影响到后续退水洞内水流流态。通过将消力井深度加深到15.0 m后，各种流量下均压力略有增加，最大脉动压力强度均方根明显降低，掺气水流均未冲击到消力井底板，退水洞内流态较好。

2.5 消能率

随着上游水位的增加，综合消能率略有降低，但竖井段消能率达86%以上，总消能率仍达96.1%，消能效果较好（旋流竖井消能率计算结果见表2）。

表2 旋流竖井消能率计算结果

3、结论

通过对涡室体形选择，涡室结构尺寸及竖井尺寸确定，消力井深度等关键体型参数进行设计研究，并采用1∶40的正态模型开展水工模型试验，从流态、压力分布、消力井深度、消能率等方面对旋流竖井的体型进行验证，得到如下结论：涡室采用椭圆曲线可保证各种流量下均能形成良好的竖井流态；虽然竖井直径在大、小流量下的要求是相互矛盾的，但通过保证大流量时竖井直径，不发生呛水，小流量可通过加大涡室来流段底坡坡度及缩窄引水道左边墙的收缩角的方式来提高螺旋流的环向速度，保证起旋效果；消力井深度在大流量时按照1.2D设计时深度不够，导致出流流态紊乱，这主要是因为本工程竖井深度较大，竖井底部水流流速较高，因此对于高水头旋流竖井，消力井深度应适当加深；旋流竖井消能率高，总体消能效果较好。

参考文献:

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