基于正交设计的扭曲鼻坎体型优化试验研究
发布时间：2021-11-24 07:59
挑坎体型对水舌形态和下游河床冲刷至关重要,基于水工模型试验,利用正交试验设计对纳子峡工程泄洪洞扭曲鼻坎体型进行优化研究。采用极差分析和方差分析,选取最大冲坑深度、冲刷最低点到边坡的距离、左侧挑距、右侧挑距和水舌宽度作为评价指标对扭曲鼻坎左侧边墙向右偏移距离、右侧边墙向右偏移距离、鼻坎扭曲程度系数3个因素进行计算,分析各因素对评价指标的敏感性,以确立扭曲鼻坎的最优体型。结果表明,各水力学特性指标对左侧边墙向右岸的偏移量的变化更敏感,其余因素对扭曲挑坎的消能效果影响较小,通过正交设计分析所得的最优体型,其水力特性指标均明显优于其他方案,所得成果可为实际工程扭曲鼻坎体型的设计提供依据。
【文章来源】：南水北调与水利科技. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
泄洪洞模型整体布置
采用物理模拟方法，制作模型比尺1∶50的水工整体正态模型，制作材料为有机玻璃，按重力相似准则进行模型设计主要研究不同方案下泄洪洞挑流消能效果、下游流态及边坡冲刷情况。模型出口体型示意图见图2。同时考虑紊动阻力相似和床沙起动相似的要求，抗冲流速相似法根据岩石地质情况，确定岩基的抗冲流速，和模型砂的材料和级配。抗冲流速按伊兹巴什公式确定，,d为冲刷料粒径，k为流速系数，本次试验取6.0[21]。根据该工程地形材料，所选河沙粒径为6.56mm，对应抗冲流速按照该公式计算得3.46m/s。2 正交试验设计
纳子峡水电站泄洪洞运行的主要问题是水舌翻出左侧边墙，主流冲击左岸边坡较为严重，原型实地观测流态见图3。经模型试验验证，扭曲鼻坎形成弯道扭面使得在离心惯性力作用下，挑射水流左侧挑距大于右侧，原体型水舌左侧挑距40.25m，右侧挑距37.75m，入水宽度37.5m，最大冲坑深度7.85m。出现这种流态的主要原因为泄洪洞末端挑流消能工轴线与下游左岸边坡交角偏小，出口水舌翻转不够，扩散程度过大。针对原体型存在的问题，本文主要对挑坎出口边墙和贴角进行优化，以ΔZ表示扭曲鼻坎左、右两侧的高程差的绝对值，Z0表示扭曲鼻坎出口断面底边中线长度，定义Z0/ΔZ为挑坎的扭曲程度系数，表征扭曲鼻坎综合特征。改变左右边墙的曲率半径以增加出口轴线与下游边坡交角，而改变出口贴角扭曲程度可以增加水舌的翻转程度，使水流顺利归入下游河道，水舌漫墙现象通过加高边墙即可有效解决。选取体型优化的3个因素为：左侧边墙向右偏移距离、右侧边墙向右偏移距离和Z0/ΔZ[22]。各因素对应水平选取时，尤其左右边墙的偏移量不宜过大，左边墙向右偏移量大时会产生小流量洞顶余幅过小的情况，右侧边墙偏移量过大会造成脱流现象，边墙处产生负压，容易导致空蚀破坏[7]。结合本工程实际情况，对于左岸边墙向右偏移距离这一因素设立3个水平，分别为偏移1m、偏移2m、偏移3m（曲率半径分别为40m、30m、25m），具体形式见图4。对于右岸边墙向右偏移距离这一因素设立3个水平，分别为0.5m、1m、1.5m（曲率半径分别为17m、15m、14m）。对于Z0/ΔZ这个因素，将左、右两侧高程差设为定值9m，出口断面中线长度取4.5m,3.15m,1.8m，故该因素的3个水平分别为0.5、0.35、0.2。参数敏感性分析的试验因素和因素水平见表1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交试验法的梯级水库连溃分析模型参数敏感性分析[J]. 李炎隆,佘磊,周兴波,王琳,于沭. 水利学报. 2018(07)
[2]基于正交设计的浮体结构流动特性分析[J]. 崔贞,傅宗甫,陈月君. 武汉大学学报(工学版). 2018(06)
[3]粒子群算法参数设置对新安江模型模拟结果的影响研究[J]. 刘欣蔚,王浩,雷晓辉,廖卫红,王明娜,王维平,张苹苹. 南水北调与水利科技. 2018(01)
[4]不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究[J]. 王鹏,舒才,施峰,胡国忠,王宏图. 岩土力学. 2017(S2)
[5]基于正交极差分析的青龙河流域HSPF模型参数寻优模式[J]. 刘兴坡,陈翔,胡小婷,王天宇,张倩,周亦昀,李永战. 哈尔滨工业大学学报. 2018(02)
[6]小湾水电站泄洪洞窄缝挑坎数值模拟研究[J]. 陈瑞华,杨吉健,马麟,胡中科,高兰兰. 长江科学院院报. 2017(04)
[7]民乐河水库溢洪道挑流鼻坎体型优化试验研究[J]. 位敏,陈利强,叶俊荣,崔冬冬. 人民长江. 2016(19)
[8]阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择[J]. 赵荥,杨敏,齐春风. 南水北调与水利科技. 2016(05)
[9]基于尖点突变理论的土质边坡稳定性分析[J]. 宋鑫华,包太,庄锦亮,刘豪,彭鸿湖. 南水北调与水利科技. 2016(03)
[10]泄洪洞出口扭曲斜切挑坎挑流数值模拟[J]. 闫谨,刁明军,王磊. 西南民族大学学报(自然科学版). 2015(06)
硕士论文
[1]马岭水利枢纽工程导流与泄洪建筑物体型研究[D]. 蒋俏芬.西北农林科技大学 2017
本文编号：3515557
【文章来源】：南水北调与水利科技. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
泄洪洞模型整体布置
采用物理模拟方法，制作模型比尺1∶50的水工整体正态模型，制作材料为有机玻璃，按重力相似准则进行模型设计主要研究不同方案下泄洪洞挑流消能效果、下游流态及边坡冲刷情况。模型出口体型示意图见图2。同时考虑紊动阻力相似和床沙起动相似的要求，抗冲流速相似法根据岩石地质情况，确定岩基的抗冲流速，和模型砂的材料和级配。抗冲流速按伊兹巴什公式确定，,d为冲刷料粒径，k为流速系数，本次试验取6.0[21]。根据该工程地形材料，所选河沙粒径为6.56mm，对应抗冲流速按照该公式计算得3.46m/s。2 正交试验设计
纳子峡水电站泄洪洞运行的主要问题是水舌翻出左侧边墙，主流冲击左岸边坡较为严重，原型实地观测流态见图3。经模型试验验证，扭曲鼻坎形成弯道扭面使得在离心惯性力作用下，挑射水流左侧挑距大于右侧，原体型水舌左侧挑距40.25m，右侧挑距37.75m，入水宽度37.5m，最大冲坑深度7.85m。出现这种流态的主要原因为泄洪洞末端挑流消能工轴线与下游左岸边坡交角偏小，出口水舌翻转不够，扩散程度过大。针对原体型存在的问题，本文主要对挑坎出口边墙和贴角进行优化，以ΔZ表示扭曲鼻坎左、右两侧的高程差的绝对值，Z0表示扭曲鼻坎出口断面底边中线长度，定义Z0/ΔZ为挑坎的扭曲程度系数，表征扭曲鼻坎综合特征。改变左右边墙的曲率半径以增加出口轴线与下游边坡交角，而改变出口贴角扭曲程度可以增加水舌的翻转程度，使水流顺利归入下游河道，水舌漫墙现象通过加高边墙即可有效解决。选取体型优化的3个因素为：左侧边墙向右偏移距离、右侧边墙向右偏移距离和Z0/ΔZ[22]。各因素对应水平选取时，尤其左右边墙的偏移量不宜过大，左边墙向右偏移量大时会产生小流量洞顶余幅过小的情况，右侧边墙偏移量过大会造成脱流现象，边墙处产生负压，容易导致空蚀破坏[7]。结合本工程实际情况，对于左岸边墙向右偏移距离这一因素设立3个水平，分别为偏移1m、偏移2m、偏移3m（曲率半径分别为40m、30m、25m），具体形式见图4。对于右岸边墙向右偏移距离这一因素设立3个水平，分别为0.5m、1m、1.5m（曲率半径分别为17m、15m、14m）。对于Z0/ΔZ这个因素，将左、右两侧高程差设为定值9m，出口断面中线长度取4.5m,3.15m,1.8m，故该因素的3个水平分别为0.5、0.35、0.2。参数敏感性分析的试验因素和因素水平见表1。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于正交试验法的梯级水库连溃分析模型参数敏感性分析[J]. 李炎隆,佘磊,周兴波,王琳,于沭. 水利学报. 2018(07)
[2]基于正交设计的浮体结构流动特性分析[J]. 崔贞,傅宗甫,陈月君. 武汉大学学报(工学版). 2018(06)
[3]粒子群算法参数设置对新安江模型模拟结果的影响研究[J]. 刘欣蔚,王浩,雷晓辉,廖卫红,王明娜,王维平,张苹苹. 南水北调与水利科技. 2018(01)
[4]不同砂胶比、密度和含水性相似材料力学性质正交试验研究[J]. 王鹏,舒才,施峰,胡国忠,王宏图. 岩土力学. 2017(S2)
[5]基于正交极差分析的青龙河流域HSPF模型参数寻优模式[J]. 刘兴坡,陈翔,胡小婷,王天宇,张倩,周亦昀,李永战. 哈尔滨工业大学学报. 2018(02)
[6]小湾水电站泄洪洞窄缝挑坎数值模拟研究[J]. 陈瑞华,杨吉健,马麟,胡中科,高兰兰. 长江科学院院报. 2017(04)
[7]民乐河水库溢洪道挑流鼻坎体型优化试验研究[J]. 位敏,陈利强,叶俊荣,崔冬冬. 人民长江. 2016(19)
[8]阿尔塔什水利枢纽水垫塘消能方式选择[J]. 赵荥,杨敏,齐春风. 南水北调与水利科技. 2016(05)
[9]基于尖点突变理论的土质边坡稳定性分析[J]. 宋鑫华,包太,庄锦亮,刘豪,彭鸿湖. 南水北调与水利科技. 2016(03)
[10]泄洪洞出口扭曲斜切挑坎挑流数值模拟[J]. 闫谨,刁明军,王磊. 西南民族大学学报(自然科学版). 2015(06)
硕士论文
[1]马岭水利枢纽工程导流与泄洪建筑物体型研究[D]. 蒋俏芬.西北农林科技大学 2017
本文编号：3515557
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shuiwenshuili/3515557.html
