低水头大流量厂坝联合泄洪消能流场的研究

【摘要】： 随着水力资源的开发，可利用的高水头资源已经越来越少，所以低水头水电开发逐渐引起各方面的广泛关注。在这种情况下，卧式灯泡贯流式机组因其效率高、单位流量大、单位转速高、尺寸小、土建投资省、运行性能好等技术经济优势，已被广泛采用。同时限于坝址地形地质条件，将枢纽布置成厂坝联合泄洪的方式，这样既解决了地形条件的限制，又节省了大量的资金投入。 为了建立大流量低水头径流灯泡式机组联合泄洪消能问题的理论与应用技术基础，使其能在我国低水头水电建设工程中具有广阔的推广应用和参考价值，本文对该领域的国内外相关研究进行了综述，通过二维断面水工模型试验和流场的数值模拟，系统的研究这种联合泄洪消能形式的流态及分区、流速场的分布、时均压力的分布等。 研究结果表明，当溢洪道泄洪时，模拟电站出流的底孔过流和不过流时，影响泄流量的因素是不同的。当底孔不过流时，流量只与上游水位有关；当底孔过流时，流量与上下游水位均有关系。大流量低水头厂坝联合泄洪的下游流场的流态可划分为四种基本流态，流态的变化受下游水位影响显著。当底孔过流时，底孔出流形成的出流流场和表孔水舌潜入形成的底部回流流场叠加，与表孔单独泄洪相比，底部旋流区区域减小并后移，底孔出口的水流脉动减小，对电站的正常运行有利。 在流速分布方面，下游流速主要集中在水体表面，沿水深分布的特点是底流速小、表流速大，沿程逐渐均化。底孔出流量越大，底孔出口附近流速分布越明显，底部回流区范围也越大；在壁面时均压强方面，表孔压强分布符合常规宽顶堰和反弧挑坎的压强分布规律，下游底板压强主要受下游水位影响，且与水深成正比，底孔壁面时均压强与底孔过流量大小有关，上、侧、下壁面压强呈依次增大的趋势。 在模型试验的基础上，通过fluent流体计算软件分别对各种流态下底孔过流和不过流时进行了数值模拟，确定了计算区域并划分了结构化网格，选取了κ-ε紊流模型和VOF法进行计算。从试验结果与计算结果的对比可以看出，二者的压强、流速等水力特性在大部分区域吻合较好，紊动能和耗散率的沿水深断面和沿程分布的数值模拟结果表明联合泄洪时底部旋滚区后移，底孔出口附近脉动很小，对电站机组运行有利，与流场的理论分析相符，结论较合理，表明用数值模拟的方法可进行厂坝联合泄洪消能流场的模拟。