射流簇底流消能涡流瞬变机理及特性研究

Energy dissipation by hydraulic jump with jet clusters is of low atomazation and environmental protection. It is based on common energy dissipation with hydraulic jump, integrates the concept of multi-lever and multi-strand jets of energy dissipation of ski-jump type, and disperses flow into jet clusters to dissipate energy. In its stilling pool, the flow pattern is very complex and kinds of instant votex affect structure safety. This project relys on Xiangjiaba hydropower station. Through large-scale model test and theoretical research, atlases database of complex flow pattern character is established, the process of vortex formation, development and collapse is revealed, its formation machanism is illustrated, and statistical parameters of votex characteristics are concised. Besides, generalized equation of influence of votex to hydrodynamic pressure characteristics of wall in votex region is proposed. Research results will lay the theoretical foundation for further research of of energy dissipation by hydraulic jump with jet clusters. And also it can provide technical support for structure safety design.

射流簇底流消能是一种低雾化影响的环保型消能方式，它以底流消能为基础，融入“分层出流、横向分散”的挑流消能理念，使射流呈簇状分散入池消能。该消能方式的消力池内流态十分复杂，瞬变的旋涡影响结构安全。本课题依托向家坝水电站，通过大比尺整体水工模型试验与理论研究，建立射流簇底流消能流态特征分类图谱库，揭示旋涡的发生、发展与溃灭过程，阐明涡流瞬变机理，凝练旋涡特性统计特征参数，提出旋涡对消力池边壁动水压力特性影响的量化关系式。研究成果将为射流簇底流消能深入研究奠定理论基础，也为结构安全设计提供技术支撑。

射流簇消能是应对降低泄洪雾化影响要求，在传统底流消能基础上，融入挑流消能理念的将巨能分散入池的一种消能方式。射流分层分股入池提高了消能率降低了临底水力学指标，但致使消力池流态极其复杂，各种水流旋涡结构可能影响消力池结构安全，目前缺乏系统研究。本项研究依托向家坝水电站工程，利用大比尺整体水工模型，采用先进的测量手段，系统研究了消力池的流态特征、旋涡结构和动水压力特性，主要的研究工作及创新性成果如下：（1）通过大比尺整体水工模型试验，全面揭示了巨能射流簇消能的消力池流态特征。对大量试验观测的凝练，提出消力池流态主要呈现为表面射流、淹没水跃、近底回流等典型流态或其交织；随着淹没度增大，流态特征从表面射流向淹没水跃转变，回流的长度及强度则总体上随之减小。（2）采用高速摄影系统，捕获了消力池内水流旋涡的直观特征。通过横轴旋涡、立轴旋涡和纵轴旋涡形成、发展、溃灭的过程，提出射流簇与回流剪切作用、回流与池壁角隅处剪切作用是旋涡形成的机理；研究了泄洪运行条件对旋涡频率、持续度、尺度等特征参数的影响，建立了旋涡St数、持续度与佛氏数、相对下游水位、淹没度等影响因子间的关系式，为旋涡危害性分析奠定了基础。（3）通过对消力池动水压力的随机分布特性、时域幅值特性及频域能量分布特性的深入挖掘，建立了旋涡区边壁脉动压力系数与综合水力参数间量化关系式，揭示出水流旋涡对压力脉动第二优势频率的决定性影响，为结构振动研究提供依据。