竖井近壁流速分布分析及设计研究成果

流速测点布置在F-YX-09S和F-YX-11S底座处。

4.4.7.1　闸门开启过程中的流速分布

以第三次过水试验为例，闸门开度为2.5%时，流速迅速增加；开度增至17.5%时，各点流速趋于平缓；闸门开度大于74%后，流速迅速降低。测点F-YX-09S在竖井的下游侧，闸门开启后竖井内为自由跌落流，水流冲击该点，故其流速迅速增加，实测3个点的最大流速为23.3m／s、27.5m／s和29.0m／s。闸门开度至74%时，环形掺气坎下游空腔渐趋稳定，竖井内过流面积增加，各测点流速迅速降低。

测点F-YX-11S在竖井的左侧，随着闸门开度的增加，水流逐渐扩散，测点的流速略有增加。当闸门开度增至11%时，在受水流冲击的作用下，测点流速迅速增加。闸门开度在22%～68%期间，测点流速增加比较缓慢，实测3个点的最大流速是22.2m／s、25.9m／s和27.9m／s。闸门开度大于68%后，掺气坎下游空腔已经形成，该断面的过流断面面积增加，水流流速迅速降低。闸门开度为74%时，各点流速趋于稳态值。

第三次过水试验过程中，上库水位为2003.90m。测点F-YX-11S高程1936.00m。该断面的流速按27.9m／s考虑时，求得自由跌落流的流速系数为0.76。

4.4.7.2　工作闸门全开后的流速分布

闸门全开后，竖井上部为淹没流，环形掺气坎以上为有压管流，以下为孔口射流，射流周围形成环状空腔。掺气坎孔口射流冲击空腔下边界水垫层，形成波动的环状自由水面，水面下一定距离内形成纵、横向扩散区，然后逐步过渡到有压管的均匀流状态。空腔长度的不同及空腔的波动变化均会影响空腔下游竖井段内的流速分布。最大流速仅为6.24m／s。压力的测量结果显示，第三次过水试验，该部位边壁的静压时均压力为－20kPa，而前两次为正压。最大流速为12.42m／s。有增加；E—E断面距空腔末端距离较近，受空腔末端水流波动的影响较大，因此3次过水试验各点的流速并不随运行水头的增加而增加。

（1）E—E断面底座（F-YX-09S）上各点的流速较小，3次过水试验，各测点处的

（2）F—F断面底座（F-YX-11S）上各点的流速较大，3次过水试验，各测点处的(www.xing528.com)

（3）对于E—E断面和F—F断面，测点到壁面的距离越大，平均流速越高。

（4）F—F断面底座（F-YX-11S）上各点的流速平均值随3次试验水头增加而略

库水位在2003.9m时，流量系数为0.361，求得的泄洪洞流量为1103.6m3／s，相应竖井断面平均流速为17.3m／s，均大于上述两个断面的测量结果。第三次过水试验，工作闸门全开后共进行了5组采集，各测点的流速见表4.11。

表4.11　第三次运行试验闸门全开后各测点流速分布　单位：m／s

从表4.11可见，各测点的流速波动较大，如测点F-YX-11S3测量的最大流速为13.80m／s，最小流速为10.59m／s，最大值比5组测量结果的平均值大11%，最小值较5组测量结果的均值小14.7%。这种现象的主要原因是掺气挑坎下游空腔的波动，受此影响，引起空腔下游各测点的压力和流速均出现了周期性的变化。流速测值偏小和数值的波动说明，E—E断面更接近空腔末端，而底座F-YX-11S处的F—F断面也仍在水流扩散区内，尚未达到均匀的管流状态。

综合上述计算与监测数据分析，射流冲击扩散区的流速分布规律是：竖井中心区的水流流速大于井壁边界区；受重力作用和水流横向扩散的双重影响，下游断面的流速值更大，且流速分布比上游断面更均匀。F—F断面在E—E断面下游10.0m处，其所测量的流速更接近该断面的计算平均流速。