小浪底水利枢纽工程中的流体力学问题

小浪底水利枢纽工程中的流体力学问题摘要:小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。关键词:小浪底;流体力学;问题小浪底水利枢纽工程是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一,其工程规模宏大、地质条件复杂、水沙条件特殊、运用要求严格,在设计过程中运用了很多流体力学的重要理论和计算方法,是流体力学教学中不可多得的案例。文章对小浪底水利枢纽工程的液体力学问题进行分析,为流体力学教学提供参考。工程概况,是黄河干流三门峡是治理开发黄河的关键性工程。19949月主体工程开工,199710月大河截流,1999年底第一台机组发电,200112月全部竣工,69.4km2,占黄河流域面积的87.3%,兼顾供水、灌溉和发电。小浪底工程拦河大坝采用斜心墙堆石坝,154m,1667m,15m,坝底最864m5l.85m3l.2m80m。281m,275m,272km2,126.5m3。1033洞、3条明流泄洪洞、1条溢洪道、13地形、地质条件的限制,所以均布置在左岸。其特点为水工建筑物布置集中,蜂窝状断面,地质条件复杂,混凝土浇筑量占工程总量的90%,施工中大规模采用新技术、新工艺和先进设备。小浪底水利枢纽工程中的流体力学案例渗流问题与防渗墙流体在孔隙介质中的流动,称为渗流,达西定律描述了流动的基本规律,但部分学生对于渗流速度和实际速度的关系不理解,难于掌握如何运用渐变流的渗流基本方程绘制渐变流渗流浸润曲线。通过对渐变渗流浸润曲线的分析,对小浪底渗流场的模拟,学生对渗流场和防渗墙的设计也有了清楚的认识。,小浪底大坝采用80m,处理是小浪底工程的一大难题。经过多年研究论证,并经现场试验,1.2的砼防渗墙,81.9m,407.4m,21800m212个检查孔,量,混凝土防渗墙防渗效果良好。有压流问题和隧洞输水长短管的水力计算是流体力学中重要的一部分,有些同学在不可压缩流体的长短管的水力计算过程中,对假设流态和多参数设计一直掌握不好,,使学生们对这些未成接触的内容有了感性认识。为满足泄洪排沙的运用要求,9条泄洪隧洞分三层布置:333条孔板消能泄洪洞。若按常规方法把导流洞改建为泄洪洞,140m,48m/s,且洞内水压力很高,夹层的单薄岩体,衬砌设计十分困难。因此,改建导流洞必须采用特殊的措施。小道孔板环,10m10.5m,78.5～86.5m2,标准断面积的47.6%～52.4%,时产生突然收缩和突然扩散,形成强烈紊动的剪切流实现洞内消能。由于水流通过体形突变的孔板环发生水流分离,孔板下游压力突然降低,致使该部位成为易空化区。为解决这一关键技术问题,通过大量模型试验和在其他工程的模拟原形试验,一方面三级孔板环采用不同的孔径比和锐缘半径,另一方面在孔板下游隧洞中设置中闸室,,以缩小过流面积,闸门全开时两孔口52m246m2,从而减小了孔板段流速,化。由于采用了洞内孔板消能技术,30m/s,35m/s左右,内首次将导流洞改建为龙抬头多级孔板消能泄洪洞,孔板尺寸是世界上最大的。,以高土石坝作为挡水建筑物的水利枢纽解决泄洪问题开辟了新的途径。水跌与消能问题在明渠流动部分,有两个重要的概念:水跌和水跃,通过讲解小浪底泄洪排污隧洞的水里计算,对表面水滚和效能方式有了清楚的认识。16条,其进口组合成“一”十座进水塔,276.4m,113m,各洞进口在不同高程错开布置,成高水泄洪排污,低水泄洪排沙,,以降低洞内流速,减轻流道磨蚀,减小闸门工作水头,,导致出口消能建筑物(消力塘),356m,210m(含护坦),28m,由两个中隔墙分成三个消力塘,每个塘又分成两级消力池。底部排水廊道纵横交错,底板、边坡、隔墙、3425个,其集中布置型式和规模为中国之首。水轮机磨蚀问题6台混流式水轮发电机组,180kW技术参数:68～141m,6.356m,107.1rpm,112306MW。沙特点和水库运行要求,具有过机含沙量高和运行水头变幅大的特点,正常运用期68.6kg/m3,d500.021mm成为小浪底水电站的关键性技术问题之一。主要措施有以下几个方面:优化水工布置,126.5m3,其中预留拦沙库容75.5亿m3,部布置了3条排沙洞,适时冲沙,可降低过机沙量30%～50%。在发电洞旁侧还布,,从而大大改善水轮机汛期运行条件。,为适当降低比转速,107.1rpm较低的额定转速,161m·kw,控制转轮内流速不超过38m/s。为有效限制空蚀,适当降低吸出高程,95～107m,110。改善部件结构,减轻泥沙损害。在设计中放大导叶分布圆直径和导叶高度以降低平均流速,装设筒阀以减少漏水冲磨等,磨损。采用优质材料。整体转轮,上、下抗磨板,锈钢制造;转轮叶片采用钢板热压成型、数控机床加工、工地组装整件出厂的制造工艺,大大提高了转轮叶片与模型的相似性;涂敷防护材料。在较低流速区,如座环和尾水锥管入口处,采用聚氨脂材料防90,Ra3.2,2.27。在高流速区,叶、上下抗磨板、止漏环、转轮等部件,用碳化钨钴材料、高速火焰喷涂工艺,部件加工后进行,形成物理性结合。表面硬度70～75HRC,光洁度为Ra3.2～6.4,5。采用上述措施,8000h的保证期内,50kg下,3年。2.5闸门静水压力问题105000kN90m,单吊点,2m/s,3.056卷扬启闭机。,进水塔顶闸孔宽度较小(3.5m),层缠绕的技术方案,2500kN24000kN100.17m100m,头闸门的封水橡皮止水要求的压缩量很大,启闭过程中磨损也较大,库多泥沙的影响,设计采用了一种短压板无伸缩间隙的“山”字型上游止水,头情况下靠自身的预压量进行止水,在高水头情况下利用进水塔顶部清水池、调节泵阀和输水软管等清水循环系统通过闸门上的柱塞式换向充水阀在止水橡皮的背面形成压力腔,通过控制止水橡皮的膨胀以达到止水的目的。结语都说流体力学课程不好学,应用的数学知识多,比较枯涩难懂。为培养学生的兴趣,激发学生的思维与创造能力,我们将疑难问题、工程应用、科研成果、思维方法引入课堂,形成立体思维空间,开拓学生视野,,使在课堂教学中叙述颇费口舌的理论的计算变得清晰