过渡台阶体型对联合消能工水力特性的影响
发布时间：2020-05-27 10:39
【摘要】：高水头、大单宽流量条件的广泛存在以及实验研究的稀缺,使得实际工程中常常遇到下泄流量过大消力池冲刷严重、面临台阶部位严重的空蚀空化问题而工程设计人员仅能依靠工程经验进行解决等现象。本文在国家自然科学基金“阶梯溢流面与WES曲面的衔接方式对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能工水力特性的影响研究(51569010)”的支持下,采用比尺为1:60的阿海水工模型,探究不同过渡台阶体型条件下,对水深、时均压强、坝面掺气状况及消能率等水力特性的影响,为进一步完善宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池整体联合消能方式提供一定的实验依据。本文主要研究结果如下:(1)过渡台阶体型发生改变时,水深、时均压强、流速的变化趋势一致。水深总体呈现出先明显增长后趋于稳定最后自由出流略有下降的趋势;WES曲线段时均压强变化实测数值十分稳定。台阶段时均压强波动较小,总体略有增加,但没有一定的规律性。反弧段及消力池段时均压强在高速水流、静水深度以及回流的共同影响下,先急剧增加;后由于水流回流的影响,水流流速略有降低,时均压强略有下降;最后由于消力池底流消能和消力池尾坎的影响,促使时均压强缓慢增加。(2)各方案过渡台阶的负压分布规律基本一致,其负压主要分布在台阶垂直固壁面上。台阶负压沿着台阶的垂直面逐渐增加,负压最大值在台阶垂直固壁面底部测点处出现。其中,由3个体型为25mm×12.5mm的过渡台阶型式负压最小,有利于降低过渡台阶最大负压值、降低台阶空蚀空化风险。(3)通过实验得知,改变过渡台阶的宽度、高度均使过渡台阶掺气状况得以改善。其中单一改变过渡台阶高度掺气状况最好,其平均掺气浓度为84.73%。与此同时,过渡台阶宽度及高度同时进行改变时,掺气状况较差。说明过渡台阶与宽尾墩相衔接处台阶高度过小、宽度过大时,旋滚水流汇入主流时间增长,台阶坝面不能充分掺气,易出现空蚀空化破坏。(4)在首级大台阶、两级大台阶的影响下,改变过渡台阶体型发现,各方案均在一定程度上改善台阶坝面掺气、降低坝面负压、减小空蚀空化。(5)各实验方案整体消能效果的增加或降低并不明显,说明改变过渡台阶体型对联合消能方式整体消能效果影响不大。(6)通过实验对比分析,改变过渡台阶高度对坝面掺气及降低坝面负压产生的积极影响最大。并且台阶体型并非越大越好,大台阶数目并非越多越好,适宜地改变台阶体型,有利于减小阶梯溢流坝空蚀空化破坏的可能。综上所述,可通过合理选择过渡台阶体型来改善宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池联合消能方式的水力特性。其中过渡台阶高度对其产生的积极影响最大,由3个25mm×12.5mm台阶组成的过渡台阶为最佳实验方案。
【图文】：
图 1.1 水东水电站 图 1.2 大朝山水电站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法与内容迄今为止，为了适应高水头、大单宽流量的大中型工程泄流消能要求以及避免台阶垂直面产生过大的负压，国内外众多学者对联合消能方式进行了科学研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用数值模拟方式建立紊流模型，采用 VOF方法来追踪自由水面，并将 VOF 方法引入结构网格的 k-ε紊流模型，经过不断地努力成功地模拟阶梯溢流坝面的流场，证明了自由水面的求解在实际工程中具有重要意义；Michael Pfister、张志昌等人[29-31]对单一台阶式溢洪道掺气发生点的位置及掺气变化分区进行了研究，对台阶水流进行了细分，得出了台阶式溢洪道上的压强分布及其规律；张靓等[32]通过数值模拟针对前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响进行了研究分析，，得出了前置掺气坎对溢流坝阶梯面消能特性的规律性；王强等[33]对不同台阶数的过渡台阶对阶梯溢流坝面压强及消能特性
图 1.1 水东水电站 图 1.2 大朝山水电站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法与内容迄今为止，为了适应高水头、大单宽流量的大中型工程泄流消能要求以及避免台阶垂直面产生过大的负压，国内外众多学者对联合消能方式进行了科学研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用数值模拟方式建立紊流模型，采用 VOF方法来追踪自由水面，并将 VOF 方法引入结构网格的 k-ε紊流模型，经过不断地努力成功地模拟阶梯溢流坝面的流场，证明了自由水面的求解在实际工程中具有重要意义；Michael Pfister、张志昌等人[29-31]对单一台阶式溢洪道掺气发生点的位置及掺气变化分区进行了研究，对台阶水流进行了细分，得出了台阶式溢洪道上的压强分布及其规律；张靓等[32]通过数值模拟针对前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响进行了研究分析，得出了前置掺气坎对溢流坝阶梯面消能特性的规律性；王强等[33]对不同台阶数的过渡台阶对阶梯溢流坝面压强及消能特性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV135.2
【图文】：
图 1.1 水东水电站 图 1.2 大朝山水电站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法与内容迄今为止，为了适应高水头、大单宽流量的大中型工程泄流消能要求以及避免台阶垂直面产生过大的负压，国内外众多学者对联合消能方式进行了科学研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用数值模拟方式建立紊流模型，采用 VOF方法来追踪自由水面，并将 VOF 方法引入结构网格的 k-ε紊流模型，经过不断地努力成功地模拟阶梯溢流坝面的流场，证明了自由水面的求解在实际工程中具有重要意义；Michael Pfister、张志昌等人[29-31]对单一台阶式溢洪道掺气发生点的位置及掺气变化分区进行了研究，对台阶水流进行了细分，得出了台阶式溢洪道上的压强分布及其规律；张靓等[32]通过数值模拟针对前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响进行了研究分析，，得出了前置掺气坎对溢流坝阶梯面消能特性的规律性；王强等[33]对不同台阶数的过渡台阶对阶梯溢流坝面压强及消能特性
图 1.1 水东水电站 图 1.2 大朝山水电站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法与内容迄今为止，为了适应高水头、大单宽流量的大中型工程泄流消能要求以及避免台阶垂直面产生过大的负压，国内外众多学者对联合消能方式进行了科学研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用数值模拟方式建立紊流模型，采用 VOF方法来追踪自由水面，并将 VOF 方法引入结构网格的 k-ε紊流模型，经过不断地努力成功地模拟阶梯溢流坝面的流场，证明了自由水面的求解在实际工程中具有重要意义；Michael Pfister、张志昌等人[29-31]对单一台阶式溢洪道掺气发生点的位置及掺气变化分区进行了研究，对台阶水流进行了细分，得出了台阶式溢洪道上的压强分布及其规律；张靓等[32]通过数值模拟针对前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响进行了研究分析，得出了前置掺气坎对溢流坝阶梯面消能特性的规律性；王强等[33]对不同台阶数的过渡台阶对阶梯溢流坝面压强及消能特性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV135.2
【参考文献】
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2 后小霞;杨具瑞;熊长鑫;;宽尾墩体型对阶梯溢流坝阶梯面掺气和消能的影响研究[J];水力发电学报;2015年04期
3 张秋月;冯源;张洛;杨具瑞;;Y型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能流场模拟[J];水力发电学报;2014年05期
4 后小霞;杨具瑞;甄建树;;宽尾墩体型对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯掺气空腔长度及负压影响研究[J];水力发电学报;2014年03期
5 田嘉宁;赵庆;范留明;;台阶式溢流坝后消力池压强特性[J];水力发电学报;2012年04期
6 李章浩;尹进步;梁宗祥;;阿海水电站表孔X型宽尾墩消能技术初拟体型试验研究[J];水资源与水工程学报;2010年04期
7 田嘉宁;魏炳乾;李布雳;冯瑞林;李建中;;台阶式溢流坝的时均压强特性[J];水力发电学报;2007年06期
8 程香菊;陈永灿;罗麟;;阶梯溢流坝水气两相流数值模拟[J];中国科学E辑:技术科学;2006年11期
9 李布雳,冯瑞林,韩s
本文编号：2683404
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