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非正交溢流堰失效条件初步研究

张彦彦  
【摘要】:水利是现代化建设中不可或缺的首要条件,近年来国家建设了一大批中、小型水库工程,然而局限于早期建设技术、经济条件,其泄洪设施多采用无闸控制的溢流堰,导致水库的兴利库容较小,水库效益不能充分发挥甚至汛期泄洪能力不足。围绕提高水库泄洪能力前人进行了大量研究,其中,非正交堰是研究的新方向之一,其特点是在相同河谷宽度的情况下,溢流前沿长度可比正交直线堰加长数倍或十余倍,泄流能力与溢流前沿长度成正比,泄流能力可大幅增加。经本文研究,非正交堰泄流能力与正交堰相比并非在任一情况下均会增大,这种状态或条件称之为“失效状态”或“失效条件”。因此,针对非正交堰失效条件展开的研究具有重要的实际工程意义。 本文采用概化堰流试验及溢流堰三维紊流数值模拟相结合的方法,对非正交堰的泄流能力及失效条件进行了初步研究,主要研究内容如下: (1)进行了正交堰及非正交堰的概化水槽试验,主要结合水面线变化及水流流态,着重研究了非正交堰的堰角、堰型、淹没度对泄流能力的影响,初步获得了非正交堰的泄流特性及失效条件。 (2)鉴于概化试验的局限性,为更进一步深入探讨非正交堰的失效原因,选取物模试验的典型工况,应用FLUENT软件对不同型式溢流堰的泄流过程进行了三维数值模拟。基于数值模拟结果获得了溢流堰附近的流场及水面线,与物模试验成果相吻合,验证了数值方法的可行性以及合理性。 (3)基于物模试验获得的非正交堰的失效条件及三维数值模拟计算成果,从流场特性、堰角及淹没度等方面进行了大量综合分析,获得了非正交堰失效的初步条件。 (4)针对非正交堰可能的失效状态,基于堰流概化试验和数模成果,提出斜交堰的失效条件为:(a)对于非淹没出流,堰角≤30°;(b)对于淹没出流,堰角>30°的堰型在流量较大、淹没度较高情况下会逐渐失效。对于迷宫堰,本文研究表明没有发生失效现象。


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