低弗劳德数消力池梯形墩-悬栅联合消能工水力特性及布置参数优化研究

【摘要】：低弗劳德数水跃由于水面波动大、消能率低等问题成为水利工程亟待解决的重要科学问题。本文结合新疆五一水库泄洪洞实际工程,通过模型试验和数值模拟手段,以低弗劳德数底流消力池内梯形墩-悬栅联合消能工为研究对象,针对低弗劳德数水流条件下,对比分析消力池内加设梯形墩和悬栅后水力特性变化规律,阐明其能量耗散机理,优化梯形墩和悬栅的布置参数。最终得出以下主要结论:(1)在2Fr4.5水流条件下,加设梯形墩-悬栅联合消能工的消力池内水深分布均匀,消力池底板沿程压力分布梯度和时均压力分布系数C_P波动幅度较小,整体稳定性较优;动能修正系数基本保持在1α2的范围区间内,可有效改善入池断面流速分布;消能率由传统消力池52.25%、65.14%、67.96%分别提升至56.74%、74.88%、77.75%。(2)梯形墩-悬栅联合消能结构能量耗散主要由水跃能量耗散、梯形墩三元剪切耗散和悬栅沿程耗散三部分组成。梯形墩和悬栅置入改变水跃结构,底部水跃区是主要能量耗散区;梯形墩改变入池水流结构,在墩后形成三元扩散射流,能量再次耗散;悬栅过流区的摩阻作用及栅后逆时针涡旋,沿程机械能进一步耗散,三者相互作用充分发挥联合消能工叠加消能作用。(3)构建梯形墩-悬栅消力池内梯形墩体型和布置参数,对比分析不同体型布置参数下池内流态、流速分布和消能率变化规律得出:消力池内梯形墩双排交错布置,墩高比C=0.436、收缩比β=0.4,布置相对位置ξ_d=0.35、排间距比ξ_r=0.16左右时,整体流态相对较为稳定,池内流速垂向分布梯度增大,三种工况下消力池末端出口流速分别降至0.26m/s、0.44m/s、0.48m/s,消能效果显著。(4)基于梯形墩优化布置形式,构建梯形墩-悬栅联合消力池内悬栅布置参数,最终得出:梯形墩双排交错布置,墩高比C=0.436、收缩比β=0.4,布置相对位置ξ_d=0.35、排间距比ξ_r=0.16,悬栅布置高度比ξ_h=1、布置间距比ξ_l=0.727、布置区间比ξ_a=0.637左右时,水跃区和悬栅沿程区域紊动能及涡量强度分布范围扩大,能量耗散加剧,较传统消力池消能率分别提升了4.75%、10.67%、10.75%。研究结果可为底流消力池研究提供参考借鉴。