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溢洪道泄洪消能试验和数值模拟研究

龚洁  
【摘要】:我国绝大多数水库修建于20世纪50至70年代,受当时客观条件限制,不少水库设计和施工质量”先天不足”,现在工程设施老化失修严重,大量水库存在安全隐患,因此除险加固工程迫在眉睫。本文针对水库除险加固溢洪道工程泄洪消能水力特性进行研究。利用计算流体动力学软件Fluent为模拟平台,选用k-ε紊流模型和两相流VOF模型模拟自由水面,对卧虎山水库溢洪道工程三维水流消能进行了模拟研究,并与水工模型试验结果作了对比分析,选择了优化的溢洪道工程消能方案。主要的内容和研究成果有: (1)通过模拟整个溢洪道水域,得到了溢洪道泄流能力、水面线、堰面压力及流速分布等水力特性的相关数据,并且与物理模型试验的结果吻合良好,这说明模拟计算中所采用的标准k-ε紊流模型与两相流VOF模型对于模拟泄槽内水流流态是可行的。 (2)溢洪道控制段采用的堰型与泄流能力的大小相关。驼峰堰因其堰低、流量系数大等特点而被采用。经过数值模拟可知驼峰堰堰面压力分布呈“马鞍型”,堰面压力分布符合急变流动水压强的分布特点。由于驼峰堰属于低堰,水流流经堰面时纵向收缩不完全,因此水舌较厚,堰面压力较大,无负压产生。 (3)对消能进行了深入的研究。首先是消能段紊流模型的选择,对于精确模拟水流尤其是弯曲流线的水流紊流模型的选择十分重要,紊流模型适用性分析的结果表明在水流经过弯道时,采用Realizable k-ε紊流模型比标准k-ε紊流模型适用性更好,更能够精细的模拟水流运动。其次是消能段位于弯道附近的问题,消力池的右岸由于弯道的作用存在漩涡区和回流区,对于过流造成影响,通过加导流墙的方式有效的改善了不良流态,使得底流消能效率较为理想。最后是挑流消能的数值模拟,采用与底流消能相同的模型,模拟结果较好。 (4)对比两种消能方式,首先是消能效率的对比,挑流消能在不同泄流量情况下的消能效果均较好,而底流消能小流量下消力池效果较好,大流量下消能效果差;其次是对周围河床及建筑物的危害程度的对比,挑流消能大量能量在空中和冲坑内消杀,尾水流态对下游危害较小,而底流消能在大流量下对河床的冲刷作用大,且消力池内存在漩涡和回流,需要修建辅助的导流墙进行改善;从工程量方面对比,挑流消能需要的挑坎结构简单,便于施工,工程量较小,而消力池的开挖等需要的工程量较大。以卧虎山水库溢洪道除险加固消能方案为例,通过对比分析认为该溢洪道挑流消能方式更为合适,消能效率高且尾水流态对下游危害较小。


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