[發明專利]一種旋流阻塞與擴散復合消能工的設計方法

有效

• 申請號: 201711390476.0
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108149651B
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: 牛爭鳴;李奇龍;唐秋明;蔣雁森;鄧淯宸
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

1.一種旋流阻塞與擴散復合消能工的設計方法，其特征在于，旋流阻塞設置在水平旋流泄洪洞內的旋流洞末端，為旋流洞與下游退水洞的連接段，由阻塞收縮段、均勻段和擴散段組成，進入旋流洞的起旋器喉口平均流速應不大于35m/s，旋流阻塞孔口水流空化數應大于0.3，計算公式如下：

σ＝(p₃+p_a-p_v)/0.5ρv²＞0.3 (2)

其中：v為起旋器喉口平均流速，為流速系數，p₁為起旋器喉口壓強，σ為水流空化數，p₃為旋流阻塞孔口壁面壓強，p_a為大氣壓強，p_v為汽化壓強，H為起旋器喉口的總作用水頭，ρ為水的密度，g為重力加速度。

2.根據權利要求1所述的一種旋流阻塞與擴散復合消能工的設計方法，其特征在于，所述阻塞收縮段與均勻段連接形式為漸縮式，漸縮段與水平所成傾斜角的取值范圍為：0°<α<20°，擴散段與下游退水洞連接方式為漸擴式，擴散段與水平所成傾斜角的取值范圍為：0°<β<15°。

3.根據權利要求1所述的一種旋流阻塞與擴散復合消能工的設計方法，其特征在于，起旋器喉口壓強系數C_p1與旋流阻塞孔口前壁面壓強系數C_p2之間的關系為C_p1＝0.41C_p2^3/2+1.25、旋流阻塞孔口空腔半徑比值r₀₃/r₀₂與旋流阻塞孔口壓強比值p₂/p₃之間的關系p₂/p₃＝-1.12r₀₃²/r₀₂²+2.08、旋流阻塞孔口空腔半徑相對比值(r₀₂/R₂)/(r₀₃/R₃)與旋流阻塞孔口傅汝德數Fr₀₃之間的關系為(r₀₂/R₂)/(r₀₃/R₃)＝0.0001Fr₀₃，共同確定進而得到阻塞孔口半徑，具體設計過程如下：

設計條件：作用水頭為H＝137.07m，設計流量為Q＝1470m³/s，水平旋流洞洞徑D＝14m，假定一個旋流阻塞孔口的凈過流面積A₀₃＝π(R₃²-r₀₃²)＝22m²，由公式(1)用于確定起旋器孔口壁面壓強值p₁：

p₁＝0.747ρgH＝1003.47kpa

依據試驗資料得到起旋器喉口壓強系數C_p1與旋流阻塞孔口前壁面壓強系數C_p2的關系曲線，擬合公式如公式(3)，此關系用于確定旋流阻塞孔口前壁面壓強值p₂：

C_p1＝0.41C_p2^3/2+1.25 (3)

其中，C_p1＝1.64，C_p2＝0.096，p₂＝592.41kpa；

C_p1＝p₁/0.5ρv₁²，C_p2＝p₂/0.5ρv₂²，v₁為起旋器喉口的平均流速，v₂為旋流阻塞孔口的平均流速；

公式(2)用于確定旋流阻塞孔口的壁面壓強p₃：

選取值溫度為15度，一個大氣壓時值為p_v＝1.71kpa

p₃＝0.3*0.5ρv²+p_v-p_a＝574kpa

旋流阻塞孔口空腔半徑比值r₀₃/r₀₂與旋流阻塞孔口壁面壓強比值p₂/p₃的關系擬合公式如公式(4)，此關系用于確定旋流阻塞孔口空腔半徑的比值r₀₃/r₀₂：

p₂/p₃＝-1.12r₀₃²/r₀₂²+2.08 (4)

r₀₃/r₀₂＝0.96

旋流阻塞孔口空腔半徑相對比值r₀₃/r₀₂與旋流阻塞孔口傅汝德數Fr₀₃的關系擬合公式見公式(5)，此關系用于確定旋流阻塞孔口半徑R₃和旋流阻塞凈過流面積A₀₃：

r₀₂/R₂＝r₀₃/R₃＝0.92 (5)

其中，r₀₂＝0.91*R₂＝6.44m，r₀₃＝0.96*r₀₂＝6.18m，R₃＝r₀₂/0.92＝6.71m，

A_03設＝π(R₃²-r₀₃²)＝21.76m²

旋流阻塞孔口的凈過流面積設計值與假定值進行對比：

A₀₃＝22m²＝A_03設＝21.76m²

通過試算法直至旋流阻塞凈過流面積的設計值與假定值一致，即確定旋流阻塞的半徑為6.7m。

4.根據權利要求1所述的一種旋流阻塞與擴散復合消能工的設計方法，其特征在于，所述阻塞收縮段的長度的取值范圍為旋流洞徑的1.5～2倍，即：1.5D<L₁<2D，均勻段長度為阻塞洞徑的2～2.5倍，即:2R₃<L₂<2.5R₃，擴散段的長度為阻塞洞徑的3.5～4.5倍，即：3.5R₃<L₃<4.5R₃。