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突跌+突扩掺气坎水力特性研究

兰观福  
【摘要】:随着水利水电工程建设的迅速发展,高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题日益突出。掺气问题和空化空蚀问题一直是高速水流研究的重点,在泄洪建筑上设置掺气减蚀设施,使高速水流掺气,是减轻和避免发生空蚀破坏的一种有效措施。因此,研究掺气坎的水力特性,尤其是掺气水流特性对泄洪建筑物的安全稳定问题具有非常重要的工程实际意义 目前,由于数值模拟技术具有操作简便,容易改变各种参数和成本低等优点,在水工建筑物体型优化研究中应用日益增多。但是模拟水气两相流尤其是掺气水流的数学模型和理论尚不够成熟,对其模拟还需要许多研究工作。 本文在总结前人研究成果的基础上,采用试验研究和数值模拟技术相结合的方法,对突跌体型与突跌+突扩体型掺气坎的水力特性进行对比分析,通过试验研究,改变不同坎后底坡坡度及不同来流流量,对比分析突跌体型方案与突跌+突扩体型方案的掺气坎后水流的流态、压力及水流空化数的沿程分布和掺气空腔特性等水力学要素的特性;采用带水气两相流VOF方法的三维RNG k-ε紊流模型,利用几何重建格式进行水气界面附近的插值,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,用非定常流算法逼近定常流的稳定解,模拟范围从上游库区至挑流鼻坎出口,对方案一~方案六进行了水气两相流的三维数值模拟,主要对比分析其流态、水面线、流场、时均压力、水流空化数的沿程分布和掺气空腔特性等水力要素的特性;采用Eulerian模型,压力—速度的校正采用Phase Coupled SIMPLE方法,动量方程的离散方法采用二阶迎风格式,对掺气坎后的掺气水流进行数值模拟,对比分析方案一~方案六的掺气效果和通气量特性;为了探讨不同气泡直径对计算结果的影响,根据前人的试验实测结果,分别选取0.5mm,1.0mm和1.5mm等三种气泡直径进行数值计算,对比分析了三种气泡直径下的掺气空腔长度,掺气浓度分布和通气量特性等情况。


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