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泄洪闸首级跌坎消力池水力特性的试验研究与数值模拟分析

何文浩  
【摘要】:底流消能实质是水跃消能,水跃是水流从急流状态过渡到缓流状态时水面突然跃起的局部水力现象。当水跃发生时,水跃区水流可分为两部分,一部分是急流冲入缓流所激起的表面旋流,叫做表面漩滚;另一部分是表面漩滚下面的主流,流速由快到慢,水深由小变大。在主流与表面漩滚交界区流速梯度很大,紊动掺混极为强烈,两者之间不断进行能量交换。发生水跃的突变过程中,水流内部产生强烈摩擦、掺混作用,消耗大量动能。跌坎消力池是在消力池入口处向下开挖一定深度形成跌坎,入池水流在池首呈射流状态进入池内,水舌下方一定范围内形成反向旋滚,主流与底板间存在一定厚度的“水垫”,因而降低了水力学指标。 本文主要研究的内容如下: 首先,本论文以沙河水库泄洪闸消能防冲问题为具体研究对象,在实验室建立几何比尺为1:20的水工整体模型,通过模型试验,测定不同工况下跌坎消力池内水流流速、底板压力。 其次,通过对不同跌坎消力池消能布置方案的消能效果进行模型试验验证与调整、优化研究,为该泄洪闸的消能防冲问题的解决提出一种可供选择的理想的消能布置方案; 最后,针对实验观察难以获得详细的各项水力参数的问题,采用RNG k-ε紊流模型结合自由而追踪的VOF方法对跌坎消力池内部流场进行了数值模拟,获得了水流形态、流速分布和压力场分布特性。对比三种不同方案消力池内流速、压力分布等水力学参数验证出推荐设计方案消能效果的合理性和科学性,同时还通过数值模拟对跌坎消力池的水力特性进行深入研究。


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