新型X宽尾墩—台阶溢流坝—戽式消力池流场的三维数值模拟

【摘要】： 宽尾墩联合消能工的水流特性一般具有三维性和紊动性。对于其中一种联合消能工-新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池同时还具有自由表面。该联合消能工流场带曲线的自由表面,复杂的几何边界给三维数值模拟带来很大难度。新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池作为消能工之一,在水利枢纽中得到广泛的应用,并且常常采用模型试验的方式来验证工程的安全性。本文针对宽尾墩联合消能工的研究现状和发展动态作了比较全面的回顾与展望。 当前,数值模拟技术成为了研究宽尾墩联合消能工水力特性的重要手段,数值模拟日益成为研究高速水流的重要技术工具,在边界条件正确、网格划分合理、数学模型选择恰当的前提下,数值模拟能够真实反映模拟对象的水流特性。本文利用商用软件FLUENT对鲁地拉水电站新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池流场了进行物理模型对照的三维数值计算。 本文从N-S方程出发,采用有限体积法对新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池流场进行了紊流数值模拟,根据多种紊流模型的优缺点进行比较,选择了RNGk-ε紊流模型,用VOF方法处理自由表面,利用几何重建格式来生成自由表面,对复杂的边界采用非结构网格进行处理。在对方程离散时采用了混合网格技术。为保证数值计算的稳定性和精确性,采用了目前较为流行的PISO类计算程序。通过工程实例的模型试验全面的试验数据对比,进一步对该工程的新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池流场紊动流场进行了三维数值模拟,得到了泄流能力、流速场、压力、水面线等的分布规律,数值模拟和试验结果的对比分析表明,两者吻合较好,满足精度需要。 建立的三维紊流数值模型能够比较准确的模拟新型X宽尾墩-台阶溢流坝-戽式消力池流场的三维水流,为工程相关设计提供可靠的分析依据。由于宽尾墩是一种相对较新的消能方式,对其消能机理的研究还不充分,数值模拟方法也尚有许多需要改进,对这些问题可以结合更多的实际工程进行更深入的研究。 本文也对溢洪道的掺气也进行了数值模拟,就目前水气两相流理论和数值模拟现状而言,计算方法是可行的,由于紊流、水气两相流及自由面问题的复杂性,两相流机理还处在发展阶段,并且由于气泡大小和变化规律尚不明确,所计算的结果尚不能完全应用到实际工程中去,在掺气的模拟方面依然还有很多问题有待探索。