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莲花台水电站消能防冲试验研究与数值模拟

作　者: 牛坤
导　师: 把多铎
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 模型试验 数值模拟 消能防冲 宽尾墩联合消能工 消能率
分类号: TV653
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


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。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 泄洪建筑物流场模拟的发展  12-15
    1.1.1 概述  12-14
    1.1.2 数值模拟的优势  14-15
    1.1.3 数值模拟的缺陷  15
  1.2 本文的研究方法及内容  15-17
    1.2.1 研究方法  15-16
    1.2.2 研究内容  16-17
第二章 紊流数值模拟理论简述  17-30
  2.1 紊流的基本方程  17
  2.2 紊流模型理论  17-26
    2.2.1 紊流数值模拟研究概况  17-19
    2.2.2 时间平均紊流模型理论  19-22
    2.2.3 紊流模型边界条件  22-24
    2.2.4 自由水面模拟  24-26
  2.3 数值计算方法  26-29
    2.3.1 基本的离散方法  26-27
    2.3.2 离散格式选择  27-28
    2.3.3 压力-速度耦合  28-29
  2.4 小结  29-30
第三章 莲花台水电站消能防冲试验研究  30-47
  3.1 工程概况  30-32
  3.2 模型设计与制作  32-33
    3.2.1 模型比尺确定  32
    3.2.2 模型制作  32
    3.2.3 模型砂粒径确定  32
    3.2.4 试验仪器及布设  32-33
  3.3 原方案试验成果  33-36
    3.3.1 泄流能力  33
    3.3.2 水流流态及水面线  33-34
    3.3.3 底板压强及流速分布  34-35
    3.3.4 下游河道流态及冲於地形  35-36
    3.3.5 原方案存在的主要问题  36
  3.4 泄洪闸及消能工体型优化  36-40
    3.4.1 宽尾墩联合消能工的应用概况  36-37
    3.4.2 泄洪闸布置形式  37-38
    3.4.3 消能工体型优化  38-39
    3.4.4 修改方案泄洪流态  39-40
    3.4.5 修改方案下游河道流态与冲刷  40
  3.5 推荐方案试验成果  40-46
    3.5.1 泄洪闸及消能工体型  40-42
    3.5.2 泄流能力  42-43
    3.5.3 泄洪流态  43
    3.5.4 泄洪闸压强及流速分布  43-45
    3.5.5 下游河道流态及冲刷  45-46
    3.5.6 推荐方案试验成果小结  46
  3.6 本章小结  46-47
第四章 挑流消能泄洪流场数值模拟  47-64
  4.1 数值模拟软件介绍  47-49
    4.1.1 Fluent 软件概述  47-48
    4.1.2 Tecplot 软件介绍  48-49
  4.2 Fluent 软件求解步骤  49-50
  4.3 选定计算区域及划分网格  50-51
  4.4 计算方法与边界条件  51-52
    4.4.1 数值计算方法选择  51
    4.4.2 边界条件设定  51-52
  4.5 计算结果对比分析  52-58
    4.5.1 泄流能力  52
    4.5.2 泄洪流态  52-55
    4.5.3 压强分布  55-57
    4.5.4 流速分布  57-58
  4.6 挑射水流水力计算  58-62
    4.6.1 水舌挑距计算  58-60
    4.6.2 冲坑深度估算  60-61
    4.6.3 算例及结果分析  61-62
  4.7 本章小结  62-64
第五章 宽尾墩联合消能工三维数值模拟  64-85
  5.1 概述  64-66
  5.2 数学模型  66-68
    5.2.1 控制方程  66-67
    5.2.2 计算方法  67-68
  5.3 计算区域及网格划分  68-69
    5.3.1 计算区域  68
    5.3.2 网格划分  68-69
  5.4 边界条件设定  69-70
  5.5 数值模拟结果与试验结果的比较  70-80
    5.5.1 闸室水流流态  71-74
    5.5.2 沿程压强分布  74-78
    5.5.3 流速分布  78-80
  5.6 消能率分析  80-83
  5.7 本章小结  83-85
第六章 结论与展望  85-87
  6.1 结论  85-86
  6.2 展望  86-87
参考文献  87-90
致谢  90-91
作者简介  91

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利枢纽、水工建筑物 > 泄水建筑物 > 消能防冲设施
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