[发明专利]孔板水流压力恢复长度计算方法

说明书

本发明涉及一种孔板水流压力恢复长度计算方法，包括如下步骤：设置两种工况，并利用RNG k‑ε模型来数值研究孔板水流压力恢复长度。在固定的孔径比值和厚径比的第一种工况条件下，利用RNG k‑ε模型计算不同雷诺数条件下孔板后水流压力无量纲恢复长度值，根据获取的孔板后水流压力无量纲恢复长度值，进而获取对孔板后水流压力无量纲恢复长度影响不大相对应的雷诺数。在前述雷诺数区间内任一固定的雷诺数对应的第二种工况条件下，计算在不同孔径比和厚径比条件下对应的孔板后水流压力无量纲恢复长度值，将这些数据绘制成拟合曲线，进而根据该拟合曲线获取孔板后水流压力无量纲恢复长度的经验计算公式。该计算方法的计算速度高、误差小。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种多级孔板中水流压力恢复长度的计算方法。

背景技术

在狭窄河谷上兴建大型水利枢纽，才采用隧洞导流方式，由于导流规模大、隧洞造价高，为了充分利用导流洞以获取更大经济效益，通常将导流洞抬高改建为龙抬头式永久泄洪洞，但是由于改建后泄量大、水头高，水利设计和出口消能形式的选择都存在困难。在小浪底水利枢纽工程中，为了解决几条由导流洞改建的泄洪洞内的高速高压和泥沙磨蚀等问题，提出了多级孔板这一新型消能方案。

在期刊《水电站设计》的1993.9(3)期中公开的论文《浅谈多级孔板消能问题》中，对多级孔板消能机理和能量损失问题进行了详细的阐述，同时对孔板消能系数及影响因素也进行了分析研究。由此可知多级孔板中上下级孔板之间的距离应大于孔板水流压力恢复长度，否则上下级孔板之间会相互影响，导致上下级孔板不能发挥各自的消能作用。如图1所示，孔板附近水流压力会发生变化，水流压力的具体变化过程如图2所示的变化曲线“P”，水流压力在孔板前缘开始下降，在孔板前角隅附近达到最低值，然后压力又逐渐上升至稳定值，则孔板到水流压力稳定点的距离即为孔板水流压力恢复长度l_R。孔板水流压力恢复长度l_R是堆积孔板间距设计的重要依据，在泄洪消能过程中，既要满足消能要求，又要满足不发生空化破坏要求。

在期刊《华北水利水电学院学报》的2010年2月刊中公开的论文《孔板泄洪洞水流三维数值模拟研究》，其中对多级孔板消能的计算模型进行了分析研究，研究表明利用k-ε紊流模型对孔板消能的水力特性研究是可行的。

已有的研究成果认为，孔板后水流到达3D(D为孔板泄洪洞直径)的位置时，水流压力趋于稳定。但通过理论分析和物理模型试验，发现孔板后水流的压强恢复长度并不是3D，而并未考虑孔板自身孔径比、孔板自身厚度等因素对孔板水流压力恢复长度的影响，则对孔板水流压力恢复长度的计算误差较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种既能满足消能要求、又能满足不发生空化破坏要求，并且计算简单的孔板水流压力恢复长度计算方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种孔板水流压力恢复长度计算方法，其特征在于包括如下步骤：

影响孔板水流压力恢复长度的因素方程为：

f₁(D,d,T,ρ,μ,u,l_R)＝0 (1)

公式(1)中，D为泄洪洞直径，d为孔板直径，T为孔板厚度，ρ为水流密度，μ为水流动力粘度，u为泄洪洞内水流的平均流速，l_R为孔板水流压力恢复长度；

将公式(1)进行无量纲分析后，则公式(1)表达为：

f₂(α,β,L_R,Re)＝0 (2)

公式(2)中，α＝T/D，α为孔板的厚径比；

β＝d/D，β为孔板和泄洪洞的孔径比；