高淹没度下闸堰出流水力特性分析与数值模拟

【摘要】： 在水利工程中,闸堰出流是最为普遍的一种水力现象。一般认为平顶堰上闸门开启高度与堰上水头的比值0.65为闸孔出流; 0.65为堰流。位于我国平原地区的水闸上下游水位落差比较小,按此方法判别,则有些形式上属于堰流,而实际应该属于闸孔淹没出流,从而使得过闸的实际流量远小于设计流量。因为闸堰出流的水力特性分析解决不好,将影响建筑物的正常运行,甚至危及上游地区的人民生命财产,所以在高淹没度下研究平原地区闸堰出流的水力特性及流态的数值模拟是十分必要的。本文通过查阅大量的文献和收集平原地区的有关闸堰出流的有关资料,分析了闸堰淹没出流的水力特性以及高淹没度下的堰流出流的计算;以水槽模型实验为基础,用数值模拟方法模拟闸堰出流下游自由面的情况,得出了一些有意义的结论。研究结果不仅对闸堰的水力计算理论具有一定的实际应用价值,而且对国民经济的发展具有重要的意义。 本文主要研究内容如下: 1、总结目前闸堰出流的基本理论和研究成果及闸堰出流的基本特性,尤其是宽顶堰出流的水力特性。 2、分析现行的关于宽顶堰淹没出流的判别方法。 3、通过理论分析宽顶堰淹没出流的淹没界限,研究高淹没度下的流量计算方法。 4、理论推导出宽顶堰淹没判别标准,通过水槽模型试验对其进行修正,并验证了它的合理性。另外,推导出有底坎的宽顶堰淹没出流综合流量系数的计算公式。 5、通过数值模拟水闸出流的现象,得出自由水面及断面流速的分布情况,以及判别模型试验测量数据与数值模拟的误差。 研究表明:数值计算的结果与闸堰出流的试验数据资料基本一致,因此,数值模拟是对物理试验一个很好的补充。