[发明专利]一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法

权利要求书

1.一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，旋流阻塞设置在水平旋流泄洪洞内的旋流洞末端，为旋流洞与下游退水洞的连接段，由阻塞收缩段、均匀段和扩散段组成，进入旋流洞的起旋器喉口平均流速应不大于35m/s，旋流阻塞孔口水流空化数应大于0.3，计算公式如下：

σ＝(p₃+p_a-p_v)/0.5ρv²＞0.3 (2)

其中：v为起旋器喉口平均流速，为流速系数，p₁为起旋器喉口压强，σ为水流空化数，p₃为旋流阻塞孔口壁面压强，p_a为大气压强，p_v为汽化压强，H为起旋器喉口的总作用水头，ρ为水的密度，g为重力加速度。

2.根据权利要求1所述的一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，所述阻塞收缩段与均匀段连接形式为渐缩式，渐缩段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<α<20°，扩散段与下游退水洞连接方式为渐扩式，扩散段与水平所成倾斜角的取值范围为：0°<β<15°。

3.根据权利要求1所述的一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，起旋器喉口压强系数C_p1与旋流阻塞孔口前壁面压强系数C_p2之间的关系为C_p1＝0.41C_p2^3/2+1.25、旋流阻塞孔口空腔半径比值r₀₃/r₀₂与旋流阻塞孔口压强比值p₂/p₃之间的关系p₂/p₃＝-1.12r₀₃²/r₀₂²+2.08、旋流阻塞孔口空腔半径相对比值(r₀₂/R₂)/(r₀₃/R₃)与旋流阻塞孔口傅汝德数Fr₀₃之间的关系为(r₀₂/R₂)/(r₀₃/R₃)＝0.0001Fr₀₃，共同确定进而得到阻塞孔口半径，具体设计过程如下：

设计条件：作用水头为H＝137.07m，设计流量为Q＝1470m³/s，水平旋流洞洞径D＝14m，假定一个旋流阻塞孔口的净过流面积A₀₃＝π(R₃²-r₀₃²)＝22m²，由公式(1)用于确定起旋器孔口壁面压强值p₁：

p₁＝0.747ρgH＝1003.47kpa

依据试验资料得到起旋器喉口压强系数C_p1与旋流阻塞孔口前壁面压强系数C_p2的关系曲线，拟合公式如公式(3)，此关系用于确定旋流阻塞孔口前壁面压强值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为起旋器喉口的平均流速，v₂为旋流阻塞孔口的平均流速；

公式(2)用于确定旋流阻塞孔口的壁面压强p₃：

选取值温度为15度，一个大气压时值为p_v＝1.71kpa

p₃＝0.3*0.5ρv²+p_v-p_a＝574kpa

旋流阻塞孔口空腔半径比值r₀₃/r₀₂与旋流阻塞孔口壁面压强比值p₂/p₃的关系拟合公式如公式(4)，此关系用于确定旋流阻塞孔口空腔半径的比值r₀₃/r₀₂：

p₂/p₃＝-1.12r₀₃²/r₀₂²+2.08 (4)

r₀₃/r₀₂＝0.96

旋流阻塞孔口空腔半径相对比值r₀₃/r₀₂与旋流阻塞孔口傅汝德数Fr₀₃的关系拟合公式见公式(5)，此关系用于确定旋流阻塞孔口半径R₃和旋流阻塞净过流面积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设＝π(R₃²-r₀₃²)＝21.76m²

旋流阻塞孔口的净过流面积设计值与假定值进行对比：

A₀₃＝22m²＝A_03设＝21.76m²

通过试算法直至旋流阻塞净过流面积的设计值与假定值一致，即确定旋流阻塞的半径为6.7m。

4.根据权利要求1所述的一种旋流阻塞与扩散复合消能工的设计方法，其特征在于，所述阻塞收缩段的长度的取值范围为旋流洞径的1.5～2倍，即：1.5D<L₁<2D，均匀段长度为阻塞洞径的2～2.5倍，即:2R₃<L₂<2.5R₃，扩散段的长度为阻塞洞径的3.5～4.5倍，即：3.5R₃<L₃<4.5R₃。