关键词:
环形堰竖井
流态
压力
水流空化数
消能率
摘要:
“十四五”以来,我国抽水蓄能电站建设发展迅速。竖井泄洪洞是抽水蓄能电站常用的泄洪建筑物之一,跌流式环形堰竖井与旋流式环形堰竖井是常采用的两种型式的竖井,目前业内对于这两种型式竖井水力特性的研究还不够系统和深入,对于这两种竖井的选型设计还没有成熟的标准。本文旨在较为系统地研究两种竖井的水气特性,为竖井的选型与设计提供科学支撑。
本文梳理了泄洪洞内消能工在国内外的研究现状与抽水蓄能电站环形堰竖井研究现状;基于安徽石台抽水蓄能电站下水库竖井泄洪洞工程,以流态、流速分布、时均压力、空化数、泄流量、消能率等水力要素为主要评价指标,采用物理模型与数学模型相结合的研究手段研究了宽式防旋墩跌流式竖井水力特性,并基于宽式防旋墩墩尾可形成良好进气通道的特性,进行了取消通气管与突扩体型的探索研究;采用数学模型对旋流环形堰竖井的水力特性开展研究,并将其与宽式防旋墩环形堰竖井进行了对比分析,以下为主要研究成果:
(1)对旋流式内消能工的创新性认识。旋流泄水建筑物中,仅水平旋流泄洪洞中的全线旋流洞主要以旋流流态进行消能,而旋流竖井、旋流式环形堰竖井均主要以井底环状水跃与和辅助消能工内漩滚流态消能。从消能角度看,后两者仍属于消力井式内消能工,旋流只是其入流型式。旋流的核心作用是利用其产生的离心力约束水流沿井壁壁面下行,并提高壁面压力起到一定的防空蚀作用,井底环状水跃与和辅助消能工内漩滚是这两种竖井的主要消能型式。
(2)跌流式和旋流式环形堰竖井各部位流态和水气分布均存在较大差异。跌流式竖井,水流在宽式防旋墩的引导下径向入流,在竖井内形成脱壁流,水流在水垫层以漩滚与漩流进行消能;旋流式竖井,水流在环形堰面与竖井壁面上形成螺旋式的贴壁流,水流在水垫层以环状水跃进行消能。两种竖井在典型工况下的消能率均超过84%,旋流式竖井消能率高出跌流式竖井约2%~3%。
(3)宽式防旋墩与起旋墩均能起到很好的整流作用。宽式防旋墩与起旋墩使竖井入流顺畅且不产生“呛水”等不利流态;跌流式环形堰竖井防旋墩尾部通气空腔与旋流式环形堰竖井中央通气空芯均进气充分,保证竖井内流态的稳定。由于宽式防旋墩墩尾具备良好进气能力,可保证竖井内压力与流态的稳定,取消传统窄式防旋墩跌流式竖井在环形堰与竖井结合段设置突扩体型与通气设施的设计是可行的,可简化跌流式环形堰竖井的体型设计。
(4)两种竖井在水垫层以上的压力分布亦存在不同的变化规律,跌流式环形堰竖井壁面压力在零压附近且变化不大,而旋流式环形堰竖井壁面呈沿程减小趋势。两种竖井的水流空化数均呈沿程减小的趋势,在环形堰面末段,水流空化数在0.2左右,水流发生空化的可能性较大,但空化泡均不具备增压溃灭的条件,因此壁面发生空蚀破坏的可能性较小。
(5)旋流式竖井水流流态相对稳定、压力变化相对规律、消能率较高,总体优于跌流式竖井,但由于物理模型比尺效应、数学模型在水气两相流模拟上对水气参数依赖性较大等因素,两种竖井的空化空蚀特性还有待深入研究和原型的检验,还需结合空化空蚀特性对两种环形堰竖井进行全面评价,以期为设计选择竖井的型式提供较为明确的参考。