宽尾墩体型及阶梯形态对阶梯面掺气特性影响研究

发布时间：2017-05-17 02:03

  本文关键词：宽尾墩体型及阶梯形态对阶梯面掺气特性影响研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工因具有消能率高、节约工程投资等优点而被广泛应用于高坝泄洪建筑物中,但在工程应用中发现,在大单宽流量下,下泄水流在阶梯溢流坝前几级阶梯面容易发生空化现象,导致阶梯溢流坝面发生空蚀破坏。工程实践表明,优化宽尾墩体型和阶梯形态,可以保证出墩水流平顺过渡到阶梯溢流坝,亦可增大阶梯面底部水流的掺气浓度,因而有效减缓阶梯面发生空蚀空化破坏,进而使此消能工应用于高水头和大单宽流量工况。目前对宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的研究大多数倾向于对阶梯溢流坝的整体消能和掺气效果的探索,而对阶梯溢流坝上单个阶梯垂直固壁面和水平固壁面的负压分布和水流掺气浓度分布规律未做深入研究。当宽尾墩体型和阶梯形态设计不佳时,水流流态不能平顺的过渡,致使单个阶梯垂直固壁面和水平固壁面的掺气浓度较低,阶梯面上出现负压,易使阶梯面容易发生空蚀破坏。本文基于以上问题,结合云南省阿海水电站“溢流表孔宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池”模型试验,采用修正的三维k-ε紊流模型,对对称和非对称Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池一体化消能工的三维流场进行了数值模拟,模拟范围从上游库区至下游消力池尾坎,通过实验和模拟结果的对比分析,验证了本次数值模拟的可行性,系统分析了对称宽尾墩和非对称宽尾墩收缩比对阶梯面掺气空腔长度和压强分布及大小的影响规律,对称宽尾墩收缩比和阶梯溢流坝首级台阶台面角度对阶梯面掺气特性和消能特性的影响,为阶梯溢洪道应用于大单宽流量及体型优化设计提供参考。主要研究成果如下：(1)模拟结果显示,对称宽尾墩条件下,出墩水流在阶梯溢流坝面产生的掺气空腔长度随收缩比ε减小而增大,阶梯面最大负压随宽尾墩收缩比ε的减小而减少,但阶梯面负压分布范围逐渐扩大；阶梯面沿程平均掺气浓度略有波动,但总体呈减小趋势,随收缩比减小,阶梯面掺气范围减小。在前几级阶梯面,掺气充分,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度呈先减小后增大的趋势,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度先增大后减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而增大。在掺气末端的阶梯面上,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度逐渐增大,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度逐渐减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而减小；阶梯溢流坝消能率随宽尾墩收缩比的减小而增大。(2)非对称宽尾墩条件下,随着收缩比逐渐减小,阶梯掺气空腔长度逐渐增大,且侧收缩角较大的一侧的空腔长度是侧收缩角较小一侧空腔长度的4-5倍；空腔内负压随收缩比减小而减少,但阶梯负压分布范围逐渐扩大,各级阶梯外边缘均出现负压,空腔内最大负压出现在首级阶梯垂直固壁面上。(3)首级台阶台面上挑时阶梯面掺气比下跌或水平时充分,消能效果好,反弧段与消力池底板上紊动能k及紊动耗散率ε较大,且消力池底板压力和临底流速较小。本文对阿海水电站Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池溢流表孔进行数值模拟发现,当单宽流量达160m3/(s·m)时,阶梯溢流面负压为-10.24kPa～-46.38kPa,最大负压出现在宽尾墩出口与阶梯溢流坝连接处以及首级阶梯垂直固壁面上,针对阶梯面可能产生的空蚀破坏,需要进一步探讨。
【关键词】：工程水力学 Y型宽尾墩 阶梯溢流坝 RNG k-ε 紊流模型 空蚀空化
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV135.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 概述14-15
• 1.2 宽尾墩的研究现状15-19
• 1.2.1 宽尾墩联合消能工应用与发展16-18
• 1.2.2 宽尾墩体型简介18-19
• 1.3 阶梯溢流坝的研究现状19-22
• 1.3.1 阶梯溢流坝消能工的应用与发展19-21
• 1.3.2 阶梯溢流坝消能率计算21-22
• 1.4 宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工的发展现状以及不足22-24
• 1.4.1 宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工的发展现状22-23
• 1.4.2 宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池的一体化消能工的不足23-24
• 1.5 掺气减蚀问题的研究24-28
• 1.5.1 泄水建筑物空蚀问题现状24-25
• 1.5.2 空蚀问题产生原因及预防措施25-26
• 1.5.3 掺气减蚀问题的研究现状26-28
• 1.6 本文主要研究的方法和内容28
• 1.7 本章小结28-30
• 第二章 试验设计及紊流数值模拟30-46
• 2.1 模型试验装置介绍30-34
• 2.1.1 工程概况30
• 2.1.2 模型试验装置30-34
• 2.2 水气两相流及紊流数值模拟理论及数值计算方法34-42
• 2.2.1 水气两相流的研究现状34-35
• 2.2.2 紊流模型理论35-40
• 2.2.3 自由表面追踪VOF模型40-42
• 2.3 模拟的几何区域及网格划分42-44
• 2.4 模型的边界条件44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 宽尾墩体型对阶梯面掺气特性的影响46-66
• 3.1 对称宽尾墩收缩比对阶梯面掺气空腔长度和阶梯面压力的影响46-51
• 3.1.1 物理模型与试验方案46
• 3.1.2 阶梯面水流流态分布及掺气空腔长度分布46-49
• 3.1.3 阶梯面压强大小及分布图49-51
• 3.2 对称宽尾墩收缩比对阶梯面掺气和消能的影响51-55
• 3.2.1 宽尾墩收缩比对阶梯面掺气浓度的影响51-54
• 3.2.2 宽尾墩收缩比对消能率的影响54-55
• 3.3 非对称宽尾墩收缩比对消能特性的影响55-64
• 3.3.1 模拟方法与模拟方案56-58
• 3.3.2 水流流态58-59
• 3.3.3 阶梯面掺气空腔长度分布59-60
• 3.3.4 阶梯面时均压强分布60-61
• 3.3.5 单个阶梯面垂直固壁面时均压强的人小及分布61-62
• 3.3.6 单个阶梯面水平固壁面时均压强的大小及分布62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 首级阶梯台面角度对阶梯面掺气特性的影响66-74
• 4.1 模拟方法及模拟方案66-67
• 4.2 数值模型的验证67
• 4.3 阶梯面掺气空腔长度分布67-68
• 4.4 阶梯面时均压力分布68-69
• 4.5 消能效果对比69-70
• 4.6 消力池底板压力及流速分布70-72
• 4.7 本章小结72-74
• 第五章 结论与展望74-78
• 5.1 结论74-75
• 5.2 展望75-78
• 致谢78-80
• 参考文献80-84
• 附录 作者攻读硕士期间发表的论文和参加的科研项目84-85

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前2条

1 罗秉珠;黎戈;陈龙;刘学章;闭多能;;顶部跌流型宽尾墩在平班水电站中坝的应用及其效果[A];第二届全国水力学与水利信息学学术大会论文集[C];2005年

2 罗秉珠;;戽流消能技术的新发展——岩滩水电站宽尾墩与戽式消力池联合消能工的研究与应用纪实[A];2002年水工专委会学术交流会议学术论文集[C];2002年

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本文编号：372307