射流-旋流梯级内消能方式的消能机理与适宜水力条件研究

High-speed flow problems has always restricted the development of flood discharge and energy dissipation in high dam. Present researches show that some difficulties of whichever unitary inner energy dissipation with high water head could not be overcome. In this project, a new tandem internal energy dissipation combined submerged jet with horizontal swirling is presented, which is based on the idea of multistage dissipating. On account of this dissipation, the high-speed flow problems will be solved once a high head energy dissipation is changed to several mediums or lows. In this work, energy dissipation mechanism and suitable hydraulic conditions of the energy dissipation will be studied, by meas of model test and theoretical analysis. Following contents are contained, critical hydraulic conditions of good flow state in flood discharge under the condition of water level change, energy dissipation mechanism based on hydraulic characteristics and influencing factors analysis, suitable water head and length ratios of jet and whirl flow section, and safety operation with flow turbulence. According to investigation, the dissipation can be applied in high water head, and also worked in diversion tunnel reconstruction or reservoir adjustment. The research will have important scientific research values and extensive engineering application prospects.

高速水流问题历来是高坝泄洪消能的一大难题。研究表明，在超高作用水头时，无论采用哪一种单一的内消能工，都会存在一些难以克服的困难。笔者从分级消能的思路出发，提出一种新型的淹没射流与水平旋流梯级内消能方式，可以使一个高水头的泄洪消能问题变成多个中低水头问题，从而解决和避免高速水流问题。本项目将采用模型试验和理论分析相结合的方法，对该消能方式的消能机理和满足泄洪消能要求时适宜的水力条件进行研究。主要内容包括：满足上下游水位大幅变化条件泄洪时良好流态的临界水力条件确定；基于水力特性与影响因素分析的消能机理研究；提出满足消能要求的射流段与旋流段作用水头比和各段长度比；水流脉动特性与泄洪安全验证。通过这些研究，实现该消能方式在超高水头泄洪消能中的应用，并在导流洞改建泄洪洞兼具放空洞或进行库水位调节中也发挥优势。该研究具有一定的科学研究价值和广泛的工程应用前景。

高速水流问题历来是高坝泄洪消能的一大难题。大量研究表明，在超高作用水头时，无论采用哪一种单一的内消能工，都会存在一些难以克服的困难。本项目从分级消能的思路出发，提出了一种新型的淹没射流与水平旋流梯级内消能方式，可以使一个高水头的泄洪消能问题变成两个中低水头问题，从而解决和避免高坝泄洪消能的高速水流问题。.项目采用模型试验、数值模拟与理论分析相结合的方法，对射流-旋流梯级内消能工的水力特性及运行水力条件进行了研究，得到了该消能工的流态、基本水力特性，以及泄流规律、压强与流速分布规律、脉动特性、能量特性、空化特性，并得到了其稳定运行水力条件。研究结果显示，当竖井水位淹过射流洞洞顶时射流段为稳定的淹没射流消能，而水平旋流洞段为稳定的空腔旋转消能，即呈双稳流态；泄流特征呈现低水位为堰流、高水位为有压孔口出流特征；消能工全程压强分布合理，射流孔口和阻塞孔口后局部存在小范围低压区；流速在旋流洞段接近40m/s，阻塞局部最大约50m/s，旋流洞段空腔旋流流速分布近似符合复合涡分布；设计水位下总体消能率约80%左右，其中射流段消能率约20%，旋流洞段约20%，阻塞扩散段约40%；旋流洞段空腔旋流为低频脉动，不会对泄水建筑物安全造成太大影响；射流段与旋流段水流空化数大于初生空化数，不会发生空化，当下游为淹没出流时在阻塞末端水流空化数为0.1~0.2之间，但该位置水流掺气浓度约20%左右，且掺气均匀，发生空化的可能性很小；通过试验观察和理论推导得到了梯级消能工稳定运行的条件，其中竖井水深为决定关键因素，并受射流孔口和起旋器孔口临界水流傅汝德数和临界顶托压强影响。.研究成果表明，射流-旋流梯级内消能方式流态稳定、消能率高，且无重大水力学问题，可以实现该消能方式在超高水头下的泄洪消能。研究成果对射流-旋流梯级内消能工的设计与应用，有重要参考价值，同时该消能工在高坝泄洪消能中将具有广泛应用前景。