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孔板型内消能工水力特性试验研究及数值模拟

张昌兵  
【摘要】: 50年来,我国水利水电事业得到了快速发展,建设了一大批水利水电枢纽,取得了巨大成就,尤其是在高水头大流量泄洪消能的研究方面达到了世界先进水平。在21世纪,我国拟建一批坝高200~300米、泄洪流量20000~50000m~3/s的大型水利工程,这些工程在泄洪消能方面向高坝水力学提出了新的挑战。因此,开展多种型式泄洪消能工的研究势在必行,其中将施工导流洞改建为永久泄水建筑物是一项具有很大经济效益的工程,但同时又是一项存在诸多困难的工程,故有必要开展这方面的研究工作。 自从孔板泄洪洞这一新型的内消能工在我国黄河小浪底工程这样大型水利枢纽上使用,在国内外属于创举,故引起了规划、设计、科研等有关单位的关注,并进行了大量的研究工作,获得了宝贵的资料,但由于1#孔板泄洪洞在原型事故闸门下闸试验过程中出现强烈振动,造成这一现象的原因何在?对建筑物结构是否造成威胁?因此,本文对孔板泄洪洞这一新型的消能工的水力特性从试验和数值模拟两个方面作了详细研究。概括起来,可以得到如下几点成果: 1、首次对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进行了试验研究并建立了水气二相流瞬变流数学模型,并成功地对孔板泄洪洞在事故工况下的水力特性进行了计算,所建立的水气二相流数学模型既适用于水气二相流,也适用于单相水流的计算。 2、研究表明,事故门井卷吸空气,形成明满交替流是造成一系列不良水力现象的前提。库水位越低,事故门井开始卷吸空气的时间就越早,水气二相流所 四川大学工学博士学位论文 经历的时间就越长,出现振动等不良水力现象越剧烈,相反,库水位越高, 虽然静水压强越大,但由于事故门井开始卷吸空气的时间越晚,水气二相流 所经历的时间就越短,不良水力现象反而有所减弱。 3、引进了大涡模拟方法,建立了孔板泄洪洞内消能工的二维和三维大涡模拟数 学模型,并成功地对孔板泄洪洞各项水力参数进行了模拟计算。 4、研究表明,三级孔板的总消能水头占总水头的40%左右,消能效果显著。脉 动压强最大值出现在孔板下游0.5D位置附近,脉动压强的优势频率基本在 2.OHz以内,属于低频大幅值范畴。 5、建立了空化初生的变密度数学模型,并对孔板初生空化进行了模拟计算,模 拟结果与试验结果基本一致。结果显示,容易发生空化的部位主要有三处: 一是孔板顶缘处,二是孔板下游角隅处,三是孔板下游回流旋涡中心部位。 可以看出,空化主要位于水流内部,对建筑物结构不会造成大的危害。 6、首次从涡量的角度出发,计算了孔板泄洪洞的拟嫡分布情况,并分析了能量 耗散情况,这比采用k一£双方程模型所计算的能量耗散率更直接,物理概念 更明确。


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