高佛汝德數泄洪隧洞明流彎道水力特性研究

《高佛汝德數泄洪隧洞明流彎道水力特性研究》是依託四川大學，由王波擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高佛汝德數泄洪隧洞明流彎道水力特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王波
• 依託單位：四川大學

項目摘要

長期以來水利界普遍認為，明流泄洪隧洞不宜採用平面彎道，《水工隧洞設計規範》(SL279-2002)也明確規定高流速無壓隧洞在平面上不應設定曲線段。泄洪隧洞中的明流彎道，由於流速大、佛汝德數高、處理難度大，因此極少在實際工程中得到套用。實驗觀測到，水流在彎道段形成曲軸空腔環流，流態近似於水平旋流，水力條件更為複雜。項目重點研究泄洪隧洞彎道曲軸空腔環流的水力特性及生成機理、彎道體型邊界及來流條件對空腔環流的誘導作用、非正交曲線坐標系在泄洪隧洞彎道水流分析中的套用、貼壁螺旋流自由面的處理方法、摻氣特性、曲軸空腔挾氣能力的定量描述。高佛汝德數泄洪隧洞彎道水力特性研究，有助於重新認識泄洪隧洞明流彎道，對最佳化彎道設計、改善水流流態、保障隧洞安全有重要意義，對明流泄洪隧洞彎道在西南地區水利水電工程中的套用具有促進作用。

結題摘要

泄洪洞作為泄水建築物被廣泛套用於水利水電工程中。受河谷地形狹窄及不良地質條件的影響，洞線有時不得不布置成曲線。《水工隧洞設計規範》明確要求高流速無壓隧洞在平面上不應設定曲線段。當泄洪洞布置中出現明流彎道時，往往採用其它措施予以避開。因此，對高佛汝德數泄洪洞明流彎道的研究開展較少。項目組採用實驗方法，對城門型泄洪洞急流彎道及其下游水流進行了觀測，展示了明流彎道水流流態。彎道內水流具有軸向前行與由凸岸流向凹岸的橫向運動，由此產生凸岸水面逐漸降低、凹岸水面逐漸爬高的發展趨勢；凹岸水流超過隧洞直牆的部分將緊貼洞頂繼續沿軸向前行，同時其橫向運動方向將演變為由凹岸指向凸岸；洞頂貼壁水流躍過洞頂最高點後，將沿著凸岸直牆下滑，形成瀑布。水流在彎道內呈現出環狀狀態，在下游順直段內逐漸演變為表面起伏波動的水流。左岸水面波峰與右岸水面波谷位置大致對應，在向下游傳播過程中，波動逐漸衰減。且單寬流量越大，水面線波動周期越長，振幅越大。根據實驗結果，建立了凹岸水面觸頂初始位置及第一波峰衝擊拱頂範圍的預測經驗公式。為拓展實驗成果、同時為泄洪隧洞設計者設計直牆高度提供參考，結合開敞式彎道水流的研究成果，進一步提出了凹岸水面觸頂時位置的解析表達式。針對高流速無壓隧洞彎道，提出了增設蓋板的流態改善方法。結果表明：受到蓋板引導，沖向凹岸的水流沿著蓋板底部折向凸岸，平衡了彎道徑向斷面的水量分布，各斷面的水面橫比降減小，削弱了水流衝擊波，水流流態相對穩定；下游順直段水面起伏波動幅度明顯削減。蓋板法是改善彎道及下游直段流態的一種較有效的工程措施，特別是大流量時，蓋板對彎道段及順直段水力條件的改善效果尤為明顯。通過設定不同蓋板高度比較發現，蓋板設定高度越低，彎道段及下游順直段水流流態改善效果越顯著。泄洪洞明流彎道水流存在著扭曲自由水面，且通過現有測試技術難以捕捉。為彌補實驗方法缺陷同時獲取更多水流信息，對泄洪洞無壓彎道水流展開三維流場數值計算，對比了蓋板設定前與設定後水面形態、流速、壓強、剪下應力等參數的變化。計算獲得了彎道段扭曲自由水面與順直段內綢帶狀水面，比較發現，增設蓋板能夠縮小凸岸露底區域。項目取得了高佛汝德數泄洪洞明流彎道特性及水力最佳化的系統研究成果，可為泄洪洞明流彎道設計提供重要的科學依據，特別對西南山區河流水利水電開發具有廣泛的套用前景。