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泄水建筑物控制转换段水力特性与体型优化研究

作　者: 许文海
导　师: 陈刚；李国栋
学　校: 西安理工大学
专　业: 水利工程
关键词: 泄水建筑物突扩突跌数值模拟掺气减蚀体型优化
分类号: TV135.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

明流溢洪道(洞)是水利水电工程常用的溢流设施，由于布置的需要，引水渠往往存在一定程度的平面转向，这就导致水面产生不同程度的横向比降，甚至出现漩涡，如果其影响达到下游泄槽急流段，还有可能产生急流冲击波，致使水流自由水面波动，直接威胁泄水建筑物乃至大坝的安全。对于弧门闸门广泛采用的偏心铰和伸缩式水封方案，都要求门座侧向突扩，底部突跌，从而将闸门止水与掺气设施有机地结合起来。水流离开门座射出有压洞口后四周悬空，并沿水平与垂直两个方向扩散，与侧边墙间形成侧空腔，与跌坎下底板间形成底空腔，底侧空腔相互贯通成为有效的掺气通道，对下游固壁形成保护，但是水流冲击侧墙产生的水翅，以及冲击反射产生的低压区，也会恶化流态，甚至引发空化空蚀问题。本文在回顾总结前人研究的基础上，结合九甸峡水利枢纽工程，对双洞式明流岸边溢洪道和弧形闸门突扩突跌水流衔接控制转换段的复杂流动进行了数值模拟和试验研究，主要研究内容和成果有：(1)采用k-ε两方程紊流数学模型和VOF自由表面模拟技术，对双洞式溢洪道联合泄洪情况下库区、引水渠、溢流段和陡槽内的三维自由面流动进行了数值模拟研究。模拟得到了流速、压力分布等水力学参数，揭示了进口区域自由水面的扭曲形态。把改善进口不良流态，消除堰顶较大负压，平衡两洞间流量分配作为目标，针对溢洪洞入口地形陡峭且入口水流存在平面急剧转向的情况，提出了“椭圆曲线翼墙+悬臂直墙”的进口整流方案。通过数值模拟和模型试验的联合应用获得了理想的进水口体型与溢流堰曲线形式。(2)通过常压模型试验，对弧形闸门突扩突跌段的水力特性进行了研究。结果表明，原设计方案压力洞出口顶板和明渠段存在负压，侧墙水翅高，明渠中水流不稳，流态差，水流空化数偏低，底空腔偏小，水流掺气能力不足。针对存在的这些问题，提出了两种体型改进方案。(3)对两种改进方案进行了常压模型试验研究。观测测量的结果包括水流流态，水翅范围高度，底侧空腔长度，清水区范围，底板侧墙压力分布，水流空化数及掺气性能等。通过对比分析，探讨了各体型变化要素对突扩突跌段水力特性的影响，特别是侧扩宽度对侧墙压力分布、清水区范围及水流流态的影响，从冲击反射压力最小的角度提出了最不利侧扩宽度的概念。在局部开启试验中，开度0.75时流态很差，而0.5开度时，侧墙存在一定范围的负压域，且空化数较小，表明特定的局部开启工况可能使特定流动要素处于最不利的情况。(4)针对弧形闸门突扩突跌段侧墙存在清水区易于发生空蚀破坏的问题，通过减压模型试验对其空化特性进行了研究。通过空化噪声谱声压级差及噪声能量分析得出的两种改进方案的空化特性与常压试验以水流空化数为判据的结果并不完全对应，表明侧墙冲击反射区内的空化机理比较复杂，对其进行了初步的探讨。(5)研究了多级水位、不同开度及存在多种尺度凸体时侧墙的空化特性。结果表明，对于侧扩Δb=0.5m方案，设计水位为最不利水位。对于侧扩Δb=0.8m方案，正常水位为最不利水位，且在闸门0.5开度时，最易于发生空化。壁面存在凸体时水流噪声谱声压级和相对噪声能量大幅增加，当凸体高度超过0.8cm时，各级水位下水流均发生空化或初生空化，表明侧墙空化特性对不平整度比较敏感。(6)对有压泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动进行了数值模拟，获得了空腔形态、侧墙水翅、压力分布等参数，探讨了空腔冲击点涡旋对气流的吸卷作用，并研究了空腔的回水特性。数值模拟表明在底板和侧墙的冲击点附近会各形成一个强的涡旋区，在底板该涡旋卷入空气，形成下游的掺气水流，在侧墙该涡旋可能成为诱发空化的空化源。通过与模型试验数据对比，分析了数学模型对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段复杂流场的预测能力。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-18
  1.1 研究背景和意义  11-12
  1.2 泄洪洞弧形闸门突扩突跌门座应用状况及存在的问题  12-14
    1.2.1 突扩突跌门座的应用情况  12-14
    1.2.2 突扩突跌门座存在的问题及研究现状  14
  1.3 泄水设施CFD分析研究进展  14-17
  1.4 本文的研究内容  17-18
2 紊流数值模型及自由表面模拟方法  18-33
  2.1 紊流数值模拟概述  18-19
  2.2 紊流数学模型  19-23
    2.2.1 零方程模型  20
    2.2.2 单方程模型  20-21
    2.2.3 两方程模型  21-22
    2.2.4 二阶矩模型  22-23
  2.3 自由表面的模拟方法  23-25
    2.3.1 标高函数法  23
    2.3.2 网格标记法  23
    2.3.3 体积分数法  23-24
    2.3.4 水平集合法  24-25
  2.4 分层两相流的紊流模型  25-26
  2.5 数值求解方法  26-32
    2.5.1 控制方程的离散  26-28
    2.5.2 压力修正法  28-31
    2.5.3 代数方程的求解  31
    2.5.4 近壁处理  31-32
  2.6 本章小结  32-33
3 双洞式溢洪洞进口段水力特性与体型优化  33-48
  3.1 计算区域网格划分及边界条件设定  33-36
  3.2 模型试验装置  36
  3.3 计算与试验成果的对比与分析  36-42
    3.3.1 流量分配  36-37
    3.3.2 水面形态  37-41
    3.3.3 压力分布  41-42
  3.4 方案优化  42-47
    3.4.1 水流流态  44-46
    3.4.2 压力特性  46-47
  3.5 本章小结  47-48
4 泄洪洞突扩突跌出口段水力特性试验研究  48-75
  4.1 突扩跌坎基本水力学特性  48-50
  4.2 突扩跌坎体型优化措施  50-51
  4.3 试验方案  51-52
  4.4 试验成果分析  52-56
    4.4.1 水流流态  52
    4.4.2 压力分布  52-54
    4.4.3 流速及水流空化数  54-55
    4.4.4 突扩跌坎掺气效果  55-56
  4.5 存在的问题与体型优化  56-58
  4.6 改进方案试验成果对比分析  58-74
    4.6.1 水流流态  58-61
    4.6.2 空腔特性与掺气  61
    4.6.3 压力特性与水流空化数  61-67
    4.6.4 闸门局开工况  67-74
  4.7 本章小结  74-75
5 泄洪洞突扩突跌段空化特性试验研究  75-100
  5.1 试验设计及测试方法  75-76
    5.1.1 模型设计  75-76
    5.1.2 试验设备与测试仪器  76
  5.2 空化的判别标准  76-77
  5.3 突扩=0.5m方案试验成果及分析  77-85
    5.3.1 光滑壁面清水区空化特性  77-81
    5.3.2 清水区内布置凸体的空化特性  81-85
  5.4 突扩=0.8m方案试验成果及分析  85-99
    5.4.1 光滑壁面清水区空化特性  85-89
    5.4.2 清水区内布置凸体的空化特性  89-93
    5.4.3 闸门局部开启  93-99
  5.5 本章小结  99-100
6 弧形闸门突扩突跌出口段三维流动数值模拟  100-117
  6.1 网格划分与离散求解  100-102
  6.2 原方案计算结果与分析  102-107
    6.2.1 水流流态  102-104
    6.2.2 压力特性  104-106
    6.2.3 吸卷掺气与回水特性  106-107
  6.3 改进方案计算结果分析  107-116
    6.3.1 水流流态  107-110
    6.3.2 压力特性  110-115
    6.3.3 流速分布  115-116
  6.4 本章小结  116-117
7 结语  117-119
  7.1 研究结论  117-118
  7.2 进一步研究工作展望  118-119
致谢  119-120
参考文献  120-127
在学期间发表的论文  127

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