[發(fā)明專利]一種泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910365415.1
• 申請(qǐng)日: 2019-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110158551B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬洪琪;練繼建;王孝群;龐博慧;齊春風(fēng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華能瀾滄江水電股份有限公司;天津大學(xué);華能集團(tuán)技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司
• 主分類號(hào): E02B8/06
• 分類號(hào): E02B8/06;G06F30/13
• 代理公司: 昆明正原專利商標(biāo)代理有限公司 53100
• 代理人: 徐玲菊;于洪

本發(fā)明涉及一種泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，屬于泄洪洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。該方法將泄洪洞及其多通氣孔供氣系統(tǒng)中的水流和氣流流動(dòng)視為水?氣分層流，將整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)微元段，并分別列出各個(gè)微元段的水流和氣流的質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒方程，聯(lián)立各個(gè)方程進(jìn)行迭代求解，基于對(duì)水?氣流場(chǎng)的求解，通過(guò)改變通氣孔結(jié)構(gòu)布置，重復(fù)求解步驟可對(duì)泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。本發(fā)明方法對(duì)于大型泄洪洞工程的需氣量更準(zhǔn)確，且可給出洞內(nèi)氣壓預(yù)測(cè)；具有設(shè)置簡(jiǎn)單，修改方便且可在幾十秒內(nèi)給出計(jì)算結(jié)果的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于在泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的頻繁修改和計(jì)算要求，易于推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于泄洪洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

泄洪洞泄洪是高壩泄洪工程中常常采用的用以輔助水庫(kù)泄洪的工程設(shè)施。明流泄洪洞內(nèi)的高速水流能夠?qū)Χ错斢喾臻g內(nèi)的空氣形成拖曳作用，除了少量空氣摻入水體以外，大部分空氣都將隨水流排出洞外。因此需要設(shè)置通氣孔，使泄洪洞與外部大氣相連，通過(guò)通氣孔來(lái)補(bǔ)充泄洪洞洞頂余幅空間內(nèi)被水流拖曳而出的空氣。通氣孔的合理設(shè)計(jì)對(duì)于泄洪洞的工程設(shè)計(jì)而言十分重要，若通氣孔的位置，尺寸設(shè)置不合理，泄洪洞的需氣量得不到滿足，洞內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)壓。過(guò)大的負(fù)壓將會(huì)很大程度上影響泄洪洞內(nèi)摻氣設(shè)施的摻氣減蝕效果，增加空化的可能性，增大泄洪洞底板、邊墻等水工結(jié)構(gòu)空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，泄洪洞內(nèi)負(fù)壓過(guò)大時(shí)，下泄水流的穩(wěn)定性將受到影響，水面線可能出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，洞內(nèi)水流可能出現(xiàn)明滿流交替現(xiàn)象，危及工程安全；此外，泄洪洞閘門后的負(fù)壓脈動(dòng)還可能引起閘門的劇烈振動(dòng)，危及閘門運(yùn)行安全；根據(jù)伯努利方程可知，通氣孔兩端壓降越大，氣流流速越高，研究表明，當(dāng)氣流流速高于50m/s時(shí)，將引起持續(xù)的噪音，影響泄洪洞運(yùn)行人員的正常作業(yè)。總而言之，泄洪洞需氣量的預(yù)測(cè)、通氣孔尺寸以及泄洪洞洞頂余幅空間的合理設(shè)計(jì)是泄洪洞設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

在以往的工程設(shè)計(jì)中，往往采用簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)需氣量泄洪洞的需氣量進(jìn)行預(yù)測(cè)。然而，隨著近年來(lái)高壩工程的建設(shè)，越來(lái)越多的高水頭、長(zhǎng)泄洪洞也投入運(yùn)行。這些泄洪洞由于洞身較長(zhǎng)，流速較高，若只在閘門后設(shè)置一個(gè)通氣孔，難以滿足通氣量的需求，因此往往沿泄洪洞明流段還會(huì)增設(shè)一些通氣孔，以往的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的需氣量與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大，不再適用。此外，泄洪洞內(nèi)的氣壓、風(fēng)速等可能影響泄洪洞功能的重要流動(dòng)指標(biāo)更沒(méi)有有效的方法進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。因此如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足是目前泄洪洞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域亟需解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的需氣量、風(fēng)速和氣壓，可對(duì)通氣孔結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化；相較于以往由簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算通氣孔結(jié)構(gòu)的方法，該方法對(duì)于大型泄洪洞工程的需氣量更準(zhǔn)確，且可給出洞內(nèi)氣壓預(yù)測(cè)；相較于如今流行的三維數(shù)值模擬方法，該方法具有設(shè)置簡(jiǎn)單，修改方便，且可在幾十秒內(nèi)給出計(jì)算結(jié)果的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于在泄洪洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的頻繁修改和計(jì)算要求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，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(dòng)，以原泄洪洞多通氣孔供氣系統(tǒng)的m個(gè)通氣孔和1個(gè)泄洪洞出口為節(jié)點(diǎn)，以第一個(gè)通氣孔為起點(diǎn)，即以閘門下游側(cè)為起點(diǎn)，將泄洪洞分成m段；為了進(jìn)行更精細(xì)的計(jì)算，在每個(gè)分段內(nèi)，再進(jìn)一步細(xì)分為任意n_j個(gè)微元段，j＝1，2，...，m；整個(gè)泄洪洞共被分成N個(gè)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)