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高水头龙抬头泄洪洞掺气减蚀试验研究及数值模拟

王海云  
【摘要】:工程实际中常将导流洞改建为泄洪洞,洞首多采用龙抬头段与原导流洞相连结。龙抬头泄洪洞泄洪时通常形成的是明流流态,其突出的特点是:流速高、单宽流量大、低 数和小底坡,反弧末端掺气坎后射流的重力影响十分显著,掺气坎后底空腔区流线弯曲严重,掺气空腔内容易产生积水等。国内外学者对高水头泄洪洞掺气设施的体型优化,进行了较多的试验与理论研究;然而,多数文献在提高掺气设施的掺气性能方面,仅考虑了沿顺水流方向的二维变化,所提出的掺气设施存在体型复杂、不容易施工或施工难度大等问题,掺气坎后水流存在垂直于水流方向的横向流动,进而影响了掺气效果。 本文首先通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎);其主要特点是:掺气坎后射流水舌沿垂直于水流方向的重力分布发生变化,即掺气坎后射流水舌的流速、挑角和高程,沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点的范围即空腔长度,成为一连续变化的曲线,而且沿曲线处水流的流速也是连续变化的,从而减弱或消除了水流落水处由碰撞形成回水。在V型坎出口断面处,水流的三维扩散更充分,水舌与空腔的接触面明显增大,有利于增加水流的掺气量,同时在落水点处受水流的强烈紊动,进一步提高了掺气效果,对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显的改善。 通过对试验结果的比较和分析研究,在前人研究基础上,建立了预测V型坎掺气特性的数学模型,提出了有关底空腔长度、空腔负压、通气量的理论预测公式。 WP=4 为了对龙抬头明流泄洪洞水流流场特性进行全面深入的研究,本文还采用三维 双方程紊流模型模拟了泄洪洞的紊流流场,并且采用非结构网格来处理复杂的边界形状,对自由水面,引入水-气两相分层流理论中的流体体积分数法(VOF)来迭代求解。通过模拟计算,得到泄洪洞内水面线、速度场、压力场和底空腔长度等水力参数,通过与实测结果对比分析,数值模拟结果与实测值吻合较好。 由于泄洪洞反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分,底部强迫掺气尚未充分扩散,在反弧段下游侧墙,容易形成较大范围的清水带(掺气盲区),同时受反弧段离心力和掺气坎后侧墙存在低压区的影响,故下游侧墙壁面易发生空蚀破坏。文中在反弧末端设置了突缩和突跌掺气设施,在侧墙两边对称布置侧向折流器;试验结果表明,侧墙突缩比的范围宜为0.012~0.018,侧收缩坡度范围在1:40~1:20之间。加设侧向折流器后,侧墙水流的出射角增大,侧空腔畅通,并直接和底空腔相连,形成稳定的侧空腔和底空腔,更有助于掺气坎后水舌的全断面的掺气,对侧墙和底板皆起到了很好的保护作用。


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