[发明专利]泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法

说明书

本发明涉及一种泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，属于泄洪洞结构优化设计技术领域。该方法基于泄洪洞内水流和气流的质量守恒和动量守恒，求解泄洪洞内的气压和风速；以洞顶余幅空间内的气压作为主要优化指标，提出通过改变洞顶余幅进行多次计算得到余幅‑气压曲线，通过改变通气孔面积多次计算得到余幅‑气压曲线簇，并基于此提出了通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法。本发明方法首先可为洞顶余幅面积的合理设置即泄洪洞洞身尺寸的合理设计提供依据，并实现通气孔面积对于洞顶余幅空间的最优匹配，能够在降低泄洪洞洞顶余幅空间内的负压的同时又极大地减小工程建设成本，易于推广应用。

技术领域

本发明属于泄洪洞结构优化设计技术领域，具体涉及一种泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，可用于指导泄洪洞设计中合理安排通气孔和泄洪洞的尺寸，避免工程资源的浪费，同时保证设计的合理性。

背景技术

泄洪洞泄洪是高坝泄洪工程中常采用的泄洪工程设施。明流泄洪洞内的高速水流会对洞顶余幅空间内的空气形成拖曳作用，除了少量空气掺入水体以外，大部分空气都将随水流排出洞外。因此需要设置补气洞，使泄洪洞与外部大气相连，通过补气洞来对补充泄洪洞洞顶余幅空间内被水流拖曳而出的空气。补气洞的合理设计对于泄洪洞的工程设计而言十分重要，若补气洞的位置，尺寸设置不合理，泄洪洞的需气量得不到满足，洞内将会出现较大的负压。过大的负压将会很大程度上影响泄洪洞内掺气设施的掺气减蚀效果，增加空化的可能性，增大泄洪洞底板、边墙等泄流结构空蚀破坏的风险；同时，泄洪洞内负压过大时，下泄水流的稳定性将受到影响，水面线可能出现剧烈波动，洞内水流可能出现明满流交替现象，危及工程安全；此外，泄洪洞闸门后的负压脉动还可能引起闸门的剧烈振动，危及闸门运行安全；根据伯努利方程可知，补气洞两端压降越大，气流流速越高，研究表明，当气流流速高于50m/s时，将引起持续的噪音，影响泄洪洞运行人员的正常作业。总而言之，补气洞尺寸以及泄洪洞洞顶余幅空间的合理设计是泄洪洞设计中的一项重要内容。

在以往的工程设计中，对于洞顶余幅空间的大小，通常认为在满足设计规范(此处指《水工隧洞设计规范》(SL279-2016)，下文同)的要求前提下，设置得越大越好。事实上，泄洪洞洞顶余幅空间与通气孔尺寸之间的存在相互平衡、相互匹配的关系，当通气孔尺寸固定时，在一定的范围内，泄洪洞洞身尺寸或洞顶余幅空间越大，泄洪洞内的负压可能反而越大，但过去工程设计中，人们较少关注这一问题。因此，有必提出泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计的新方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，以便于工程设计人员在泄洪洞设计中应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

泄洪洞通气孔与洞顶余幅联合优化设计方法，包括如下步骤：

步骤(1)，将泄洪洞明流段的水-气两相流视为分层流动，以原泄洪洞多通气孔供气系统的m个通气孔和1个泄洪洞出口为节点，以第一个通气孔为起点，即以闸门下游侧为起点，将泄洪洞分成m段；为了进行更精细的计算，在每个分段内，再进一步细分为任意n_i个微元段，j＝1，2，...，m；整个泄洪洞共被分成N个微元段，之后建立如下方程：

V_w＝(v_w1，v_w2，...，v_wi，...，v_wN) (1)

V_a＝(v_a1，v_a2，...，v_ai，...，v_aN) (2)

P_a＝(p_a1，p_a2，...，p_ai，...，p_aN) (3)