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台阶式溢流坝坝后消力池压强特性数值模拟研究

范勇锋  
【摘要】: 常规的台阶式溢流坝下游台阶末端用反弧段将之与消力池衔接,这种消能工已被广泛应用到很多实际水利工程中,表现出了良好的消能效果。目前大部分研究工作都是针对这种型式结构的,而对于下游台阶末端不设过渡段时,台阶面及消力池的水力特性研究则较少,特别是数值模拟研究目前尚未见到。本文以物理模型试验为基础,利用数值模拟的方法对这种不设反弧段的新型消能结构消力池的水力特性进行了模拟研究。通过采用κ-ε双方程紊流模型,引入水气两相流的VOF模型,利用几何重建格式来迭代生成自由水面,对复杂几何边界采用非结构网格进行处理,成功地对台阶溢流坝的流场进行了数值模拟。 其中重点对消力池段的压强特性进行了分析研究,数值模拟与试验结果对比分析表明,两者吻合较好。消力池底板的压强的特点主要体现为: (1)对于时均压强:在远驱水跃、临界水跃和淹没水跃三种水流状态下,消力池底板上的时均压强都表现出了比较相似的分布规律,在消力池内水流冲击处有峰值即最大压强出现;在接近水跃区以及水跃区时压强出现振荡;水跃区过后压强分布逐渐平稳;流量、坝面坡度、台阶高度为影响消力池底板时均压强的重要因素。在相同条件下,时均压强在水流冲击段的压强峰值都是随着流量的增大和坡度的增大而增加;压强峰值随台阶高度的变化则是在大台阶时表现为小的压强。 (2)对于脉动压强:脉动压强的整体分布大小要比时均压强值小,其分布规律与时均压强类似,也在水流冲击段有峰值出现。过后压强开始变小,经过水跃区至消力池尾段,压强趋于稳定,接近定值;不同水跃时,在消力池水流的水跃部分的压强有较大差值,临界水跃时压强最大,淹没水跃次小,而远驱水跃下的压强值最小;流量、坡度、台阶高度对于脉动压强的影响,表现为:不同流量条件主要对水跃区的压强产生较大影响,大流量对应大的压强值;坡度因素则是对水流冲击段压强分布有大的影响,此段的压强随着坡度的增加而增大;台阶高度的不同对消力池底板脉动压强的影响十分微小。


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