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莲花台水电站消能防冲试验研究与数值模拟

牛坤  
【摘要】:消能防冲是水利水电工程领域的关键技术问题之一。随着一大批水电工程的陆续建成,拟建的水电工程无论是高坝大库还是中小坝型大多面临泄量大、单宽流量大、下游水垫浅及河床地质条件复杂等问题,消能防冲问题十分突出。丹江莲花台水电站是一座典型的中等水头的河床式水电站,具有上述特点,且坝址处河势弯曲,电站尾水毗邻泄水建筑物,成功解决好消能防冲问题,获得良好的泄洪流态对水利枢纽的布置、工程规模、安全运行和效益发挥等具有重要意义。本文的研究工作就是在这一背景下展开的,文章以丹江莲花台水电站消能防冲问题为具体研究对象,主要研究内容和成果有: (1)建立几何比尺为1:80的正态整体水工模型,对泄洪闸消能工进行了系统的消能防冲试验研究。指出了原设计方案(挑流消能工)在泄洪闸布置、泄流能力、泄洪流态及下游河床冲刷等方面存在的严重问题。通过多次试验和体型优化,提出了推荐方案(Y型宽尾墩+戽式消力池联合消能工),较好的解决了该工程的消能防冲难题,并优化了闸门开启运行方式。 (2)应用k -ε双方程紊流模型和VOF方法对挑流消能工和宽尾墩联合消能工的泄洪流场进行了三维数值模拟。获到了泄洪流态、水面线、坝面和消力池底板压强、典型断面流速分布等水力特性,并得到了试验成果的验证。 (3)进行了同尺寸平尾墩消力池在设计工况下的数值模拟工作,并将坝面和消力压强分布特性与宽尾墩消力池的模拟值和试验值进行了对比分析。指出宽尾墩联合消能工WES溢流坝面压强均为正压,且消力池底板压强也较平尾墩池有所增加,有利于坝面安全和消力池底板的稳定。 (4)对数值模拟中发现的局部负压问题进行了讨论,分析了产生负压的主要原因。运用水力学分析方法,对渥奇面段负压区的产生机理进行了分析,并进行了溢流坝水流空化数计算分析。 (5)从水力学特性的角度进行了挑射水流的水力计算,并引入局部能量损失的观点对宽尾墩联合消能工的消能率进行了分析计算。指出了挑射水流在水力计算、模型试验和数值模拟中应该注意的问题。对设计工况下宽尾墩联合消能工的消能率进行了计算,分析了其消能效果良好稳定的内在因素,并就戽式消力池内的水跃特性与平尾墩消力池进行了对比分析,结果表明宽尾墩+戽式消力池联合消能工在解决大单宽流量、中低佛氏数的泄洪消能防冲问题中有明显优势。 本文的研究成果成功解决了莲花台水电站消能防冲实际问题,并深入探讨了宽尾墩联合消能工的水力特性,为类似工程解决消能防冲问题提供了参考依据。


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