洞塞式内消能地水力特性地实验地研究与理论分析报告.doc

实用标准文案 精彩文档 “洞塞式内消能的水力特性的实验研究与理论分析”研究报告 中国海洋大学工程学院08港航 何勇、朱慧洁、郑清鑫 摘要 洞塞式消能工是利用水流的突缩突扩作用进行消能的消能工，本文在总结前人研究的基础上，应用物理模型试验、数值模拟和理论分析手段研究了突缩突扩单级洞塞多级洞塞的最佳尺寸、消能特性、消能机理、空化特性等，并探索把洞塞式消能工应用到大型水电工程的可能性，得出的结论包括： 1、针对二级洞塞消能工附近的局部流动,分析研究了水流紊动特点,建立了洞塞泄流的三维 RNG k-ε紊流数学模型。 2、建立了单级洞塞泄流的物理模型，利用物模试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好，说明利用RNG k-ε模型模拟有二级洞塞的附近流动是合理可行的 3、利用建立的数学模型对一、二级洞塞的消能率和消能比进行了计算分析,结果表明一、二级洞塞面积收缩比对消能率和消能比的影响较大，而相对长度对其影响很小。 4、在水头损失系数和计算域最小空化数权重相等的条件下，构造了简单的目标函数，给出了渐缩渐扩洞塞的最优几何体型参数。 5、探究了如何构造符合工程实际的目标函数，并给出合理的控制条件是后续工作需要深入研究的内容。 6、本文提出了一种新型的渐缩渐扩洞塞。针对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞消能工附近的局部流动，分析研究了水流紊动特性，建立了洞塞泄流的三维RNG k-ε紊流数学模型和物理模型，利用物理模型试验资料对数学模型计算结果进行了验证，两者吻合较好。 7、利用建立的数学模型对顺直洞塞和渐缩渐扩洞塞的水头损失系数和空化数进行了计算。当洞塞渐缩段和渐扩段几何尺寸互换时，水头损失系数和最小空化数的变化不大。 8、对洞塞脉动压强特性的分析表明：洞塞的脉动压强最大点均位于洞塞进口附近，在洞塞内逐渐变小，水流突扩后，脉动压强有所增加，后逐渐恢复稳定；而面积收缩比越小，脉动压强越大。 9、釆用实验和数值模拟相结合的方法研究了不同体型洞塞的空化特性。 关键词：洞塞 消能 水力特性 空化数 一、回顾与评述 首先介绍本课题的选题背景及研究的意义，接着对洞塞式内流消能工（以下简称洞塞式消能工或洞塞）的定义和研究历程进行简要的介绍，最后，针对前人的研究空白和现阶段洞塞式消能工研究需要解决的问题，提出本文的研究内容及技术路线。 1问题的提出 1.1我国水电建设面临的任务 我国是水能资源丰富的国家，水能蕴藏量1万KW以上的河流有300多条，我国水能蕴藏量为6.76亿KW，水能蕴藏居世界第一，约占世界总量的1/6，相应的年发电量达6.02万亿KW.h。建国以来，特别是二十世纪八十年代以来，我国的水电建设取得了巨大的成就，到2002年底，全国常规水电己开发装机容量78850MW，年发电量2710亿KW.h，分别占经济可开发装机容量的20%和经济可开发年发电量的15.6%，占全国总电力装机容量的22.1%，包括在建项目，全国水电装机容量占经济可开发装机容量的32%。我国水电建设与各地的经济发展紧密相关，经济发达的地区水能资源少，开发程度高，而经济落后地区资源量大，开发程度低。整个东部地区13个省〔直辖市）经济可开发37589MW，已在建容量21240MW，开发程度达到56.5%，中部地区6个省经济可开发53974MW，已在建容量39889MW，开发程度为74%，而水能资源特别丰富的四川、云南、西藏开发程度仅为16%、11%和5%。 按照电力发展和“西电东送”需要、大型河流开发进程、大中型水电项目规划和前期工作深度以及小型水电站合理建设规模等，制定的水电中长期发展目标表明：到2010年水电装机容量达到1.6亿KW，占电力总装机容量的27%，水电开发程度达40%；到2020年水电装机容量达到2.7亿KW，占电力总装机容量的29%,水电开发程度达68%（见图1）。按区域划分，到2020年，四川，云南，贵州的水电开发总装机规模分别要达到64600MW、53100MW和16300MW，开发程度分别为64%、54%和86%。这意味着今后平均内年要新增水电装机1000多万千瓦，在今后的20~25年的一段时期内，我国水电开发将迎来一个高峰，而且主要集中在我国的西南地区。因此研究我国西南地区水电建设所面临的技术问题具有现实意义和紧迫性。 图1.1我国水电开发规划图 1.2内流式消能工研究的意义 我国两南地区位于我国三大阶梯地形的第一级至第二级阶梯的过渡地 带，河流比降大、流量大、河谷狭窄，适合建设大型水电工程，但由此产生的泄洪消能问题也特别突出。传统的消能工〔挑流、底流、而流和戽流消能工）一般是把水流能量集中到泄水建筑物末端后，再利用下游的水体（如水垫塘、消力池或天然河道）把水流聚集的动能转化为下游水体的内能和动能以达到转化和分散能量的目的。相对于传统消能工，内流式消能工是在泄