小浪底水利樞紐工程中的流體力學(xué)問題

小浪底水利樞紐工程中的流體力學(xué)問題摘要:小浪底水利樞紐工程是中外專家公認(rèn)的世界上最具挑戰(zhàn)性的水利工程之一,其工程規(guī)模宏大、地質(zhì)條件復(fù)雜、水沙條件特殊、運(yùn)用要求嚴(yán)格,在設(shè)計過程中運(yùn)用了很多流體力學(xué)的重要理論和計算方法,是流體力學(xué)教學(xué)中不可多得的案例。關(guān)鍵詞:小浪底;流體力學(xué);問題小浪底水利樞紐工程是中外專家公認(rèn)的世界上最具挑戰(zhàn)性的水利工程之一,其工程規(guī)模宏大、地質(zhì)條件復(fù)雜、水沙條件特殊、運(yùn)用要求嚴(yán)格,在設(shè)計過程中運(yùn)用了很多流體力學(xué)的重要理論和計算方法,是流體力學(xué)教學(xué)中不可多得的案例。文章對小浪底水利樞紐工程的液體力學(xué)問題進(jìn)行分析,為流體力學(xué)教學(xué)提供參考。工程概況,是黃河干流三門峽是治理開發(fā)黃河的關(guān)鍵性工程。19949月主體工程開工,199710月大河截流,1999年底第一臺機(jī)組發(fā)電,200112月全部竣工,69.4km2,占黃河流域面積的87.3%,兼顧供水、灌溉和發(fā)電。小浪底工程攔河大壩采用斜心墻堆石壩,154m,1667m,15m,壩底最864m5l.85m3l.2m80m。281m,275m,272km2,126.5m3。1033洞、3條明流泄洪洞、1條溢洪道、13地形、地質(zhì)條件的限制,所以均布置在左岸。其特點(diǎn)為水工建筑物布置集中,蜂窩狀斷面,地質(zhì)條件復(fù)雜,混凝土澆筑量占工程總量的90%,施工中大規(guī)模采用新技術(shù)、新工藝和先進(jìn)設(shè)備。小浪底水利樞紐工程中的流體力學(xué)案例滲流問題與防滲墻流體在孔隙介質(zhì)中的流動,稱為滲流,達(dá)西定律描述了流動的基本規(guī)律,但部分學(xué)生對于滲流速度和實(shí)際速度的關(guān)系不理解,難于掌握如何運(yùn)用漸變流的滲流基本方程繪制漸變流滲流浸潤曲線。通過對漸變滲流浸潤曲線的分析,對小浪底滲流場的模擬,學(xué)生對滲流場和防滲墻的設(shè)計也有了清楚的認(rèn)識。,小浪底大壩采用80m,處理是小浪底工程的一大難題。經(jīng)過多年研究論證,并經(jīng)現(xiàn)場試驗,1.2的砼防滲墻,81.9m,407.4m,21800m212個檢查孔,量,混凝土防滲墻防滲效果良好。有壓流問題和隧洞輸水長短管的水力計算是流體力學(xué)中重要的一部分,有些同學(xué)在不可壓縮流體的長短管的水力計算過程中,對假設(shè)流態(tài)和多參數(shù)設(shè)計一直掌握不好,,使學(xué)生們對這些未成接觸的內(nèi)容有了感性認(rèn)識。為滿足泄洪排沙的運(yùn)用要求,9條泄洪隧洞分三層布置:333條孔板消能泄洪洞。若按常規(guī)方法把導(dǎo)流洞改建為泄洪洞,140m,48m/s,且洞內(nèi)水壓力很高,夾層的單薄巖體,襯砌設(shè)計十分困難。因此,改建導(dǎo)流洞必須采用特殊的措施。小道孔板環(huán),10m10.5m,78.5～86.5m2,標(biāo)準(zhǔn)斷面積的47.6%～52.4%,時產(chǎn)生突然收縮和突然擴(kuò)散,形成強(qiáng)烈紊動的剪切流實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)消能。由于水流通過體形突變的孔板環(huán)發(fā)生水流分離,孔板下游壓力突然降低,致使該部位成為易空化區(qū)。為解決這一關(guān)鍵技術(shù)問題,通過大量模型試驗和在其他工程的模擬原形試驗,一方面三級孔板環(huán)采用不同的孔徑比和銳緣半徑,另一方面在孔板下游隧洞中設(shè)置中閘室,,以縮小過流面積,閘門全開時兩孔口52m246m2,從而減小了孔板段流速,化。由于采用了洞內(nèi)孔板消能技術(shù),30m/s,35m/s左右,內(nèi)首次將導(dǎo)流洞改建為龍?zhí)ь^多級孔板消能泄洪洞,孔板尺寸是世界上最大的。,以高土石壩作為擋水建筑物的水利樞紐解決泄洪問題開辟了新的途徑。水跌與消能問題在明渠流動部分,有兩個重要的概念:水跌和水躍,通過講解小浪底泄洪排污隧洞的水里計算,對表面水滾和效能方式有了清楚的認(rèn)識。16條,其進(jìn)口組合成“一”十座進(jìn)水塔,276.4m,113m,各洞進(jìn)口在不同高程錯開布置,成高水泄洪排污,低水泄洪排沙,,以降低洞內(nèi)流速,減輕流道磨蝕,減小閘門工作水頭,,導(dǎo)致出口消能建筑物(消力塘),356m,210m(含護(hù)坦),28m,由兩個中隔墻分成三個消力塘,每個塘又分成兩級消力池。底部排水廊道縱橫交錯,底板、邊坡、隔墻、3425個,其集中布置型式和規(guī)模為中國之首。水輪機(jī)磨蝕問題6臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組,180kW技術(shù)參數(shù):68～141m,6.356m,107.1rpm,112306MW。沙特點(diǎn)和水庫運(yùn)行要求,具有過機(jī)含沙量高和運(yùn)行水頭變幅大的特點(diǎn),正常運(yùn)用期68.6kg/m3,d500.021mm成為小浪底水電站的關(guān)鍵性技術(shù)問題之一。主要措施有以下幾個方面:優(yōu)化水工布置,126.5m3,其中預(yù)留攔沙庫容75.5億m3,部布置了3條排沙洞,適時沖沙,可降低過機(jī)沙量30%～50%。在發(fā)電洞旁側(cè)還布,,從而大大改善水輪機(jī)汛期運(yùn)行條件。,為適當(dāng)降低比轉(zhuǎn)速,107.1rpm較低的額定轉(zhuǎn)速,161m·kw,控制轉(zhuǎn)輪內(nèi)流速不超過38m/s。為有效限制空蝕,適當(dāng)降低吸出高程,95～107m,110。改善部件結(jié)構(gòu),減輕泥沙損害。在設(shè)計中放大導(dǎo)葉分布圓直徑和導(dǎo)葉高度以降低平均流速,裝設(shè)筒閥以減少漏水沖磨等,磨損。采用優(yōu)質(zhì)材料。整體轉(zhuǎn)輪,上、下抗磨板,銹鋼制造;轉(zhuǎn)輪葉片采用鋼板熱壓成型、數(shù)控機(jī)床加工、工地組裝整件出廠的制造工藝,大大提高了轉(zhuǎn)輪葉片與模型的相似性;涂敷防護(hù)材料。在較低流速區(qū),如座環(huán)和尾水錐管入口處,采用聚氨脂材料防90,Ra3.2,2.27。在高流速區(qū),葉、上下抗磨板、止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪等部件,用碳化鎢鈷材料、高速火焰噴涂工藝,部件加工后進(jìn)行,形成物理性結(jié)合。表面硬度70～75HRC,光潔度為Ra3.2～6.4,5。采用上述措施,8000h的保證期內(nèi),50kg下,3年。2.5閘門靜水壓力問題105000kN90m,單吊點(diǎn),2m/s,3.056卷揚(yáng)啟閉機(jī)。,進(jìn)水塔頂閘孔寬度較小(3.5m),層纏繞的技術(shù)方案,2500kN24000kN100.17m100m,頭閘門的封水橡皮止水要求的壓縮量很大,啟閉過程中磨損也較大,庫多泥沙的影響,設(shè)計采用了一種短壓板無伸縮間隙的“山”字型上游止水,頭情況下靠自身的預(yù)壓量進(jìn)行止水,在高水頭情況下利用進(jìn)水塔頂部清水池、調(diào)節(jié)泵閥和輸水軟管等清水循環(huán)系統(tǒng)通過閘門上的柱塞式換向充水閥在止水橡皮的背面形成壓力腔,通過控制止水橡皮的膨脹以達(dá)到止水的目的。結(jié)語都說流體力學(xué)課程不好學(xué),應(yīng)用的數(shù)學(xué)知識多,比較枯澀難懂。為培養(yǎng)學(xué)生的興趣,激發(fā)學(xué)生的思維與創(chuàng)造能力,我們將疑難問題、工程應(yīng)用、科研成果、思維方法引入課堂,形成立體思維空間,開拓學(xué)生視野,,使在課堂教學(xué)中敘述頗費(fèi)口舌的理論的計算變得清晰