前置掺气坎阶梯溢洪道体型优化数值模拟研究
发布时间：2021-01-31 03:39
在阶梯溢洪道前加设掺气坎,高速水流流经掺气坎形成挑射水舌,使水流底部产生强迫掺气,增加水流中的掺气浓度以保护阶梯面,减小阶梯面负压,这种前置掺气坎阶梯溢洪道能够有效兼顾过水建筑物在高水头,大单宽流量下运行时的消能效果与减蚀情况,深入研究高速水流下的前置掺气坎阶梯溢洪道具有工程实际意义。如今数值模拟已成为高速水力学中常用的研究手段,本课题基于两相流基本方程,在某大型水电工程试验研究基础上,选用紊流模型、卷气模型、漂移通量模型,对高速水气两相流在前置掺气坎阶梯溢洪道不同体型设置的模拟工况下进行数值仿真计算,探寻了改变台阶高度和溢洪道底坡对溢洪道的水流流态、水面线、掺气空腔长度和掺气浓度、压强分布、流速分布和消能效果等水力特性的影响,并研究掺气坎高度与台阶高度、溢洪道底坡在实际工程中的适配性问题,为工程设计和方案优化提供参考。研究得出结论:台阶高度增大有利于前设掺气坎阶梯式溢洪道的消能效果,但会使前几级台阶竖直面的负压增大,发生空蚀破坏的风险增大,将掺气坎的高度增大到0.8m能有效增大掺气保护空腔的长度,增大台阶近壁面的掺气浓度以减轻负压造成的空蚀破坏风险;溢洪道底坡为1:4.25时前几级台...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
前置掺气坎阶梯溢洪道计算区域示意图单位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways
3数值模拟模型构建153数值模拟模型构建3.1数值模型构建某大型水电站工程采用心墙堆石坝，坝高为147m，总装机容量为420MW，岸边开敞式阶梯式溢洪道堰顶高程为2124m，长度540m，进口采用WES型实用堰，阶梯段采用C20混凝土现浇，在首级阶梯前设置了一道掺气坎，高度为0.5m，坡度为1：10。最大工作水头为140m，最大下泄流量为760m3/s，泄槽宽度为10m，最大单宽流量为76m2/(s·m)[38]。本次数值模拟研究结合此水电站工程溢洪道的模型试验[40]展开，计算区域起始点为掺气坎位置前80m处，阶梯段溢流坝面的首级台阶设置在掺气坎位置后20m处，计算下泄单宽流量取最大值76m2/(s·m)。采用FLOW-3D软件模拟仿真共九种工况下前置掺气坎阶梯溢洪道大单宽泄流运行时的高速掺气水流水力特性，计算域示意图如图3-1所示，采用CAD三维建立计算域三维模型如图3-2所示。图3-1前置掺气坎阶梯溢洪道计算区域示意图单位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways图3-2前置掺气坎阶梯溢洪道三维模型图Fig.3-23Dmodeldiagramofpre-aeratorsteppedspillways
西安理工大学工程硕士专业学位论文16针对掺气坎尺寸的设置，国内外众多工程设计和建设中常采用的掺气坎坡度一般在1:5~1:15之间选取，有研究证明掺气坎坡度为1:10时水流流态更平顺[36]，本次研究选取1:10的掺气坎坡度；有掺气坎高度对阶梯面影响的试验研究表明[45]，当掺气坎高度超过1.2m的工况下，泄流壁面上的挑射水舌冲击压强将超过20×9.8kPa，容易引起阶梯面发生破坏，本次研究选取0.7m、0.8m、0.9m三种掺气坎高度。由水工试验结果[40]可知，在台阶高度低于2.0m下量测到下泄水流的末端流速超过30m/s，消能效果较差。因此本次模拟研究选取2.0m、2.5m、3.0m三种不同台阶高度的阶梯式溢洪道体型。试验模型溢洪道沿轴底板坡度为1：3.75，本次数值模拟选取1:3.75、1:4.25、1:4.75三种不同溢洪道底坡体型进行研究。各工况及体型尺寸见表3-1。表3-1各工况及体型尺寸表Table.3-1Theworkingconditionsandsizetable工况台阶高度（m）溢洪道底坡i掺气坎高度（m）a-12.01:3.750.7a-22.51:3.750.7a-33.01:3.750.7a-42.51:3.750.8a-52.51:3.750.9b-12.51:4.250.7b-22.51:4.750.7b-32.51:4.250.8b-42.51:4.250.93.2网格划分及边界条件网格划分如图3-3、3-4、3-5所示。为使数值模拟计算更为精确且效率更高，采用衔接法共设置五个网格块，光滑溢流坝段的网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m的正方体均匀网格，将掺气坎处及阶梯溢流坝段的网格尺寸进行了加密，设置为0.25m×0.25m×0.25m的正方体均匀网格，网格数量总计约为1166万。图3-3网格平面Fig.3-3Meshplanes
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺气减蚀技术及掺气设施研究进展[J]. 高昂,吴时强,王芳芳,朱森林. 水利水电科技进展. 2019(02)
[2]考虑水流掺气的施工导流工程流场数值模拟[J]. 刘文,贺昌海,惠建伟,刘全. 中国农村水利水电. 2019(02)
[3]某水库岸边溢洪道体型优化试验研究[J]. 夏雪平,马旭东,聂锐华,刘兴年. 人民长江. 2018(06)
[4]阶梯式消能工与掺气墩在工程中的联合运用[J]. 王自明,王斌,包中进. 人民长江. 2016(15)
[5]前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响[J]. 张靓,杨具瑞,陈玉壮. 水利水运工程学报. 2016(04)
[6]阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟[J]. 周斌斌,凤炜. 水资源与水工程学报. 2016(02)
[7]某水库溢洪道泄洪消能的试验研究[J]. 岳生娟,张法星,曲景学,邓永婷. 中国农村水利水电. 2014(10)
[8]前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响[J]. 朱利,张法星,刘善均. 人民黄河. 2014(06)
[9]溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究[J]. 高学平,贾来飞,宋慧芳,崔光虎. 水力发电学报. 2014(02)
[10]前置掺气坎阶梯溢洪道近壁掺气特性[J]. 刘善均,朱利,张法星,罗书靖,白瑞迪,邓军. 水科学进展. 2014(03)
博士论文
[1]台阶式泄水建筑物水力特性试验研究[D]. 田嘉宁.西安理工大学 2005
硕士论文
[1]前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水流的数值模拟[D]. 李梅玲.西安理工大学 2018
[2]台阶式溢洪道掺气水流数值模拟[D]. 邹璐.西安理工大学 2016
[3]大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝水力特性影响研究[D]. 王强.昆明理工大学 2016
[4]某阶梯溢洪道的水流水力特性数值模拟研究[D]. 高梦露.大连理工大学 2015
[5]溢流坝泄流过程水流流态数值模拟[D]. 杨思雨.大连理工大学 2015
[6]双孤立波爬高的数值模拟[D]. 王贺.上海交通大学 2015
[7]水工闸门启闭过程中的动水垂直力的数值模拟研究[D]. 訾娟.天津大学 2012
[8]带有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟[D]. 尹芳芳.西安理工大学 2010
[9]台阶式溢洪道强迫掺气水流水力特性的试验研究[D]. 骈迎春.西安理工大学 2007
[10]阶梯溢流坝水力特性和消能机理试验研究[D]. 杨庆.四川大学 2002
本文编号：3010145
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
前置掺气坎阶梯溢洪道计算区域示意图单位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways
3数值模拟模型构建153数值模拟模型构建3.1数值模型构建某大型水电站工程采用心墙堆石坝，坝高为147m，总装机容量为420MW，岸边开敞式阶梯式溢洪道堰顶高程为2124m，长度540m，进口采用WES型实用堰，阶梯段采用C20混凝土现浇，在首级阶梯前设置了一道掺气坎，高度为0.5m，坡度为1：10。最大工作水头为140m，最大下泄流量为760m3/s，泄槽宽度为10m，最大单宽流量为76m2/(s·m)[38]。本次数值模拟研究结合此水电站工程溢洪道的模型试验[40]展开，计算区域起始点为掺气坎位置前80m处，阶梯段溢流坝面的首级台阶设置在掺气坎位置后20m处，计算下泄单宽流量取最大值76m2/(s·m)。采用FLOW-3D软件模拟仿真共九种工况下前置掺气坎阶梯溢洪道大单宽泄流运行时的高速掺气水流水力特性，计算域示意图如图3-1所示，采用CAD三维建立计算域三维模型如图3-2所示。图3-1前置掺气坎阶梯溢洪道计算区域示意图单位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways图3-2前置掺气坎阶梯溢洪道三维模型图Fig.3-23Dmodeldiagramofpre-aeratorsteppedspillways
西安理工大学工程硕士专业学位论文16针对掺气坎尺寸的设置，国内外众多工程设计和建设中常采用的掺气坎坡度一般在1:5~1:15之间选取，有研究证明掺气坎坡度为1:10时水流流态更平顺[36]，本次研究选取1:10的掺气坎坡度；有掺气坎高度对阶梯面影响的试验研究表明[45]，当掺气坎高度超过1.2m的工况下，泄流壁面上的挑射水舌冲击压强将超过20×9.8kPa，容易引起阶梯面发生破坏，本次研究选取0.7m、0.8m、0.9m三种掺气坎高度。由水工试验结果[40]可知，在台阶高度低于2.0m下量测到下泄水流的末端流速超过30m/s，消能效果较差。因此本次模拟研究选取2.0m、2.5m、3.0m三种不同台阶高度的阶梯式溢洪道体型。试验模型溢洪道沿轴底板坡度为1：3.75，本次数值模拟选取1:3.75、1:4.25、1:4.75三种不同溢洪道底坡体型进行研究。各工况及体型尺寸见表3-1。表3-1各工况及体型尺寸表Table.3-1Theworkingconditionsandsizetable工况台阶高度（m）溢洪道底坡i掺气坎高度（m）a-12.01:3.750.7a-22.51:3.750.7a-33.01:3.750.7a-42.51:3.750.8a-52.51:3.750.9b-12.51:4.250.7b-22.51:4.750.7b-32.51:4.250.8b-42.51:4.250.93.2网格划分及边界条件网格划分如图3-3、3-4、3-5所示。为使数值模拟计算更为精确且效率更高，采用衔接法共设置五个网格块，光滑溢流坝段的网格尺寸为0.5m×0.5m×0.5m的正方体均匀网格，将掺气坎处及阶梯溢流坝段的网格尺寸进行了加密，设置为0.25m×0.25m×0.25m的正方体均匀网格，网格数量总计约为1166万。图3-3网格平面Fig.3-3Meshplanes
【参考文献】：
期刊论文
[1]掺气减蚀技术及掺气设施研究进展[J]. 高昂,吴时强,王芳芳,朱森林. 水利水电科技进展. 2019(02)
[2]考虑水流掺气的施工导流工程流场数值模拟[J]. 刘文,贺昌海,惠建伟,刘全. 中国农村水利水电. 2019(02)
[3]某水库岸边溢洪道体型优化试验研究[J]. 夏雪平,马旭东,聂锐华,刘兴年. 人民长江. 2018(06)
[4]阶梯式消能工与掺气墩在工程中的联合运用[J]. 王自明,王斌,包中进. 人民长江. 2016(15)
[5]前置掺气坎角度对溢流坝阶梯面消能特性的影响[J]. 张靓,杨具瑞,陈玉壮. 水利水运工程学报. 2016(04)
[6]阶梯溢洪道水力特性试验及数值模拟[J]. 周斌斌,凤炜. 水资源与水工程学报. 2016(02)
[7]某水库溢洪道泄洪消能的试验研究[J]. 岳生娟,张法星,曲景学,邓永婷. 中国农村水利水电. 2014(10)
[8]前置掺气坎高度对阶梯溢流坝水力特性的影响[J]. 朱利,张法星,刘善均. 人民黄河. 2014(06)
[9]溢洪道掺气坎槽后掺气水流三维数值模拟研究[J]. 高学平,贾来飞,宋慧芳,崔光虎. 水力发电学报. 2014(02)
[10]前置掺气坎阶梯溢洪道近壁掺气特性[J]. 刘善均,朱利,张法星,罗书靖,白瑞迪,邓军. 水科学进展. 2014(03)
博士论文
[1]台阶式泄水建筑物水力特性试验研究[D]. 田嘉宁.西安理工大学 2005
硕士论文
[1]前置掺气坎式阶梯溢洪道掺气水流的数值模拟[D]. 李梅玲.西安理工大学 2018
[2]台阶式溢洪道掺气水流数值模拟[D]. 邹璐.西安理工大学 2016
[3]大小台阶组合的过渡阶梯对阶梯溢流坝水力特性影响研究[D]. 王强.昆明理工大学 2016
[4]某阶梯溢洪道的水流水力特性数值模拟研究[D]. 高梦露.大连理工大学 2015
[5]溢流坝泄流过程水流流态数值模拟[D]. 杨思雨.大连理工大学 2015
[6]双孤立波爬高的数值模拟[D]. 王贺.上海交通大学 2015
[7]水工闸门启闭过程中的动水垂直力的数值模拟研究[D]. 訾娟.天津大学 2012
[8]带有掺气挑坎的台阶式溢洪道的三维数值模拟[D]. 尹芳芳.西安理工大学 2010
[9]台阶式溢洪道强迫掺气水流水力特性的试验研究[D]. 骈迎春.西安理工大学 2007
[10]阶梯溢流坝水力特性和消能机理试验研究[D]. 杨庆.四川大学 2002
本文编号：3010145
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