[發明專利]一種泄洪洞多通氣孔供氣系統的優化設計方法

有效

• 申請號: 201910365415.1
• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110158551B
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 馬洪琪;練繼建;王孝群;龐博慧;齊春風
• 申請（專利權）人: 華能瀾滄江水電股份有限公司;天津大學;華能集團技術創新中心有限公司
• 主分類號: E02B8/06
• 分類號: E02B8/06;G06F30/13
• 代理公司: 昆明正原專利商標代理有限公司 53100
• 代理人: 徐玲菊;于洪

1.一種泄洪洞多通氣孔供氣系統的優化設計方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(1)，將泄洪洞明流段的水-氣兩相流視為分層流動，以原泄洪洞多通氣孔供氣系統的m個通氣孔和1個泄洪洞出口為節點，以第一個通氣孔為起點，即以閘門下游側為起點，將泄洪洞分成m段；為了進行更精細的計算，在每個分段內，再進一步細分為任意n_j個微元段，j＝1，2，...，m；整個泄洪洞共被分成N個微元段，之后建立如下方程：

V_w＝(v_w1，v_w2，...，v_wi，...，v_wN) (1)

V_a＝(v_a1，v_a2，...，v_ai，...，v_aN) (2)

P_a＝(p_a1，p_a2，...，p_ai，...，p_aN) (3)

V_ad＝(v_ad1，v_ad2，...，v_as，...，v_am) (4)

P_ad＝(p_ad1，p_ad2，...，p_as，...，p_am) (5)

其中，V_w表示泄洪洞內各斷面平均水流流速，v_wi表示第i個泄洪洞斷面處的斷面平均水流流速；V_a和P_a分別表示泄洪洞洞頂余幅空間內各斷面平均氣流流速和各斷面平均氣壓，v_ai和p_ai分別表示第i個泄洪洞斷面處的斷面平均氣流流速和氣壓；V_ad和P_ad分別表示各個通氣孔與泄洪洞交叉位置處的斷面平均氣流流速和斷面平均氣壓，v_ads和p_ads分別對應第s個通氣孔的氣流流速和氣壓；i＝1，2，...，N；s＝1，2，...，m；

步驟(2)，列任意一個微元段兩端泄洪洞斷面i和泄洪洞斷面i+1之間的方程，包括水流的能量方程、氣流的質量守恒方程和氣流的動量守恒方程：

v_aiA_ai＝v_ai+1A_ai+1 (8)

其中，y_i和y_i+1表示微元段兩端泄洪洞斷面i和泄洪洞斷面i+1處泄洪洞底板高程；g表示重力加速度；ρ_w和ρ_a分別為水和空氣的密度；θ表示泄洪洞底板于水平面的夾角；B表示泄洪洞的斷面寬度；A_ai和A_ai+1表示兩個泄洪洞斷面處的洞頂余幅面積，表示兩個泄洪洞斷面的平均空氣濕周；ds表示兩個泄洪洞斷面的距離；h_wi和h_wi+1分別表示泄洪洞斷面i和泄洪洞斷面i+1的水深；τ_a表示泄洪洞壁面對氣流的剪切應力；τ_wa表示水流和氣流之間的相互作用力τ_wa＝τ_aw；對于ΔH_f和τ_wa，表示為：

其中，Δh_f表示通常明渠中的沿程水頭損失；Δh_aw表示氣流對水流的拖曳力作用造成的水頭損失；為兩個泄洪洞斷面之間的水流濕周的平均值；表示水流流速平均值；表示氣流流速平均值；f_wai表示泄洪洞斷面i處氣流和水流之間的相互作用力系數，H_i為泄洪洞斷面i處的斷面等效高度；ω為待定系數，取值為0.028；

步驟(3)，列第一個通氣孔的氣流能量方程和氣流質量守恒方程：

v_a1A_ad1＝v_a1A_a1 (13)

其中，ξ_e1為由于氣流從通氣孔流入泄洪洞的局部水頭損失系數；p_ad1為第一個通氣孔斷面的平均氣壓；A_ad1為第一個通氣孔斷面的斷面面積；A_a1為第1個泄洪洞斷面的面積；

列除第一個通氣孔外，其他任意第s個通氣孔斷面和對應兩側泄洪洞斷面的氣流能量方程和氣流質量守恒方程：

v_adsA_ads+v_upsA_ups＝v_downsA_downs (16)

其中，下標其中s＝2，3，...，m；p_ups和p_downs分別對應泄洪洞內第s個通氣孔上游側和下游側的泄洪洞微元段斷面處的斷面平均氣壓；v_ups和v_downs分別對應泄洪洞內第s個通氣孔上游側和下游側的泄洪洞微元段斷面處的斷面平均氣流流速；A_ups和A_downs分別對應泄洪洞內第s個通氣孔上游側和下游側的泄洪洞微元段斷面處的洞頂余幅面積；ξ_es為由于氣流從第s個通氣孔流入泄洪洞的局部水頭損失系數；

設各個通氣孔入口斷面的氣壓和氣流流速均為0，列伯努利方程：

其中，l_s表示第s個通氣孔的長度；d_s為第s個通氣孔的直徑或等效直徑；(∑ξ)_s為第s個通氣孔的所有局部水頭損失；

泄洪洞出口斷面的氣壓為0：

p_N＝0 (18)

步驟(4)，將式(7)、式(8)和式(12)～(18)組合，得到關于泄洪洞中氣流流動的非線性方程組：

F＝F(V_a，P_a ，V_ad，P_ad)＝0 (19)；

求解該方程組，可得到通氣孔的風速V_ad和氣壓P_ad以及泄洪洞內的風速V_a和氣壓P_a；

步驟(5)，根據步驟(4)得到的V_ad、P_ad、V_a和P_a以及《水工隧洞設計規范》(SL279-2016)的要求，調整不符合設計規范的相應的通氣孔斷面面積，返回步驟(4)參與計算，重復步驟(4)的求解；

設不符合設計規范的相應的通氣孔斷面面積初始設計值通氣孔面積調整系數k_s，則參與計算的通氣孔的斷面面積A_ads表示為：

其中，當0＜k_s＜1或k_s＞1時，表示將通氣孔的斷面面積擴大或縮小至初始設計值的k_s倍，當k_s＝0時，表示不再設置第s個通氣孔；

通過設置不同的k_s來重復步驟(4)的求解，得到對應的V_a、P_a、V_ad和P_ad，直到滿足設計規范，得到最優的泄洪洞多通氣孔供氣系統設計參數。