齿墩式内消能工属于一种特殊的突扩突缩式消能工,是在有压管道或隧洞中设置齿墩,使过流断面突然收缩和扩大,导致水流流线发生剧烈变化,产生旋滚,从而消除水流中的能量。课题组前期对齿墩式内消能工水力特性进行了一系列的研究,主要包括齿墩数量、面积收缩比、齿墩高度、相对长度等因素对其过流能力、消能率、压强特性、空化特性的影响。本论文是在前期二级齿墩式内消能工的研究基础上,选择两级体型相同(面积收缩比为0.5,齿墩数目为4)的齿墩,采用多普勒流速仪对齿墩间距为40cm的消能工的流场进行测量,分析其时均流速和脉动强度的分布规律,然后通过数值模拟对不同齿墩间距二级齿墩式消能工进行数值计算,分析齿墩间距的变化对时均流速和紊动能分布规律的影响。主要研究内容和结论如下:1.通过对齿墩间距为40cm的二级齿墩式内消能工在不同流量(3L/s-18L/s)的情况下,各测量断面瞬时流速的试验测量,详细分析了水流沿纵向有间隙剖面和有齿墩剖面的时均流速分布和脉动强度分布规律,,其主要流场特征有:(1)沿管道流动方向中心轴的时均流速最大值出现在两级齿墩段内,即距第一级齿墩进口0.5D和3.2D处,其中,一级齿墩处的最大时均流速为断面平均流速的2.2倍,二级齿墩处的最大时均流速为断面平均流速的2.5倍,二级齿墩的最大时均流速大于一级齿墩。(2)沿水流方向有齿墩所在的纵剖面,可观察到水流在齿墩后方有回流存在,而在有间隙所在的纵剖面上未观察到反向流动现象。(3)随着流量的增加,齿墩后方回流区的范围也越大。当流量为18L/s时,其回流区范围是距管壁30mm,最大反向流速出现在一级齿墩后0.4D处,其值为0.449m/s。(4)随着流量的增加,轴向和径向的脉动强度均有所增加,其中变化最明显的区域为齿墩出口回流区剪切层内,且二级齿墩后的大于一级齿墩后的,轴向的大于径向的。(5)沿水流方向,脉动强度在齿墩后0.4D处与齿墩等高的位置紊动最剧烈,一级齿墩的最大脉动强度为平均流速的0.65倍,二级齿墩此处的脉动强度大于一级齿墩,约为平均流速的0.83倍。2.将间距为40cm的齿墩式内消能工的数值计算结果和试验比较,吻合良好,在此基础上,对各间距(40cm、60cm、80cm、100cm)的齿墩式消能工(流量为18L/s、27L/s、36L/s)进行数值计算和分析,可以获得齿墩间距对各水流的影响为:(6)不同间距的二级齿墩式内消能工的时均流速在管道内沿水流方向的变化趋势有相同之处,均体现在经过两级齿墩进口时快速增大,通过齿墩出口断面时,有射流的性质,时均流速逐渐减小,两侧有漩涡存在的现象。(7)齿墩间距变化对一级齿墩进出口附近的时均流速分布几乎无影响,对二级齿墩进出口附近的时均流速分布有影响,且间距越小,影响越大。(8)随着齿墩间距的增加,各流量下二级齿墩处的时均流速分布越接近一级齿墩,当间距为100cm时二级齿墩处和一级齿墩处的时均流速分布近似。(9)随着齿墩间距的增大,二级齿墩出口处的断面平均紊动能逐渐增大,间距由40cm增加到100cm,紊动能分别为0.428m~2/s~2、0.561m~2/s~2、0.574m~2/s~2、0.581 m~2/s~2。3.本文通过对不同间距齿墩的流场的测量和计算,获得了流场的整体变化规律,可为后续探究二级齿墩式内消能工的消能机理和优化布置提供依据。