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九甸峡水电站泄水建筑物的流场模拟与体型优化研究

党彦  
【摘要】: 以往泄水建筑物体型设计及其水力学特性基本上是靠模型试验来解决,随着数值计算技术的发展,数值模拟逐渐成为强有力的研究手段。目前,采用数值模拟方法追踪自由水面、水流经掺气减蚀装置后流道内水气两相流的模拟是流场模拟的重点和难点。本文在回顾总结前人研究成果的基础上,应用标准k -ε紊流模型对九甸峡左岸双洞式溢洪洞、右岸泄洪洞工作闸室及陡坡明渠段内流场进行了数值研究。 选用标准k -ε紊流模型,分别采用“弹性盖”法和VOF法追踪自由表面,采用非结构网格处理复杂边界,对左岸双洞式溢洪洞进口段三维流场进行了模拟。获得了流速分布、压力分布、水面位置、水面形态及流量分配等水力要素。计算结果表明,在原方案布置下,1#、2#溢洪洞水流均为侧向进水状态,堰面右侧水面凹陷,过堰水流流态较恶劣,水流在进口段不能平顺进入溢洪道。溢流堰面顶部存在较大负压。在水面形态比较复杂的情况下,采用VOF法追踪自由水面比“弹性盖”法优越得多。 对左岸双洞式溢洪洞进口体型进行了数值优化。研究表明在左岸原方案基础上加设导流翼墙后,进口水流平顺,水面凹陷基本消失,但进口堰面仍存在较大负压。进一步优化后,水面流态无凹陷现象,堰面顶部的负压大大减小,具有较好的抗蚀性。 对右岸泄洪洞闸室及陡坡明渠段,由于存在体型突扩、有压流明流转换、通气掺气等问题,情况更为复杂。为了更好得模拟流动现象,对网格得生成进行了控制。采用把计算区域划分为多个区域,针对各区域体型和水力特性变化特点生成不同类型和间距的网格,其收敛和计算结果均比较理想。 对右岸泄洪洞的三维VOF法模拟,得到了泄洪洞内掺气空腔、水翅的高度、长度;边壁和底板压力分布、流速分布等参数。计算结果表明:突扩跌坎侧墙压力值较小,底板中线沿程压力有负压区;沿程水流空化数均小于0.3;水流冲击侧墙有较高的水翅发生,原方案水流衔接不畅,流态恶劣,易于发生空化,建议对其体型进行修改。 本文计算成果均与实测资料进行了比较,吻合情况良好,这表明本文采用的数模方法可以用于泄水建筑物的选型设计中。


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