寬尾墩和階梯溢流壩一體化數(shù)值模擬.pdf

1、把寬尾墩的技術(shù)應(yīng)用于階梯溢流壩，使之形成寬尾墩、階梯式溢流壩面和消力池相結(jié)合的一體化水工設(shè)施，這種新型消能方式兼有寬尾墩和階梯溢流壩面的優(yōu)點(diǎn)，小流量泄流時(shí)，可充分利用階梯旋滾消能，大流量泄流時(shí)，出閘室水流形成水翅，存在多個(gè)水氣交界面，墩后氣腔形成氣體卷吸，兩股水翅在空中發(fā)生碰撞，水氣摻混劇烈，消能率得到提高，其單寬流量比純階梯溢流壩可增大數(shù)倍，這種一體化設(shè)施的流場(chǎng)具有明顯的三維特性。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)寬

2、尾墩、階梯溢流壩面和消力池一體化設(shè)施的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)存在的部分問(wèn)題進(jìn)行了探討，對(duì)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。本文主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果有： ①寬尾墩和階梯溢流壩一體化水工設(shè)施流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬在相關(guān)的文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道，本文首次成功地模擬了其三維流場(chǎng)，模擬得到了墩后水翅、階梯面挑射水舌和摻氣腔體以及階梯面上的旋滾等，重現(xiàn)了拋物線型水氣交界面。并對(duì)網(wǎng)格生成進(jìn)行了研究，提出了針對(duì)復(fù)雜水工建筑物網(wǎng)格生成應(yīng)遵循的三種方法。

3、 ②本文的研究結(jié)合索風(fēng)營(yíng)水電站實(shí)際工程，該工程第一次采用了X型寬尾墩。通過(guò)對(duì)X型和Y-Ⅱ型寬尾墩兩種墩型的對(duì)比，表明X型寬尾墩在小流量泄洪時(shí)，水流不受寬尾墩影響，充分利用階梯溢流壩旋滾消能，大流量泄洪時(shí)，水流以收縮射流形式下泄，利用水翅在空中的碰撞摻混提高消能效果。 ③數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)在第一級(jí)臺(tái)階垂直面與溢流壩面交接處存在負(fù)壓，這是過(guò)去的實(shí)驗(yàn)中未測(cè)到的，根據(jù)數(shù)值模擬提供的負(fù)壓位置，在模型中重新布置測(cè)點(diǎn)，驗(yàn)證了負(fù)壓的存在。對(duì)可能出現(xiàn)的

4、空化空蝕問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，結(jié)果表明雖然第一級(jí)臺(tái)階垂直面與溢流壩面交接處以及第八級(jí)臺(tái)階以后臺(tái)階面的水平面與立面交接處均發(fā)生了空化現(xiàn)象，但造成這兩處邊壁表面的空蝕破壞可能性不大。 ④對(duì)比分析了X型寬尾墩+階梯溢流壩面+消力池一體化設(shè)施在不同單寬流量下的流場(chǎng)特性。對(duì)寬尾墩+階梯溢流壩+消力池一體化設(shè)施墩后水流的流速場(chǎng)進(jìn)行了分區(qū)描述。墩后水流形成主流速區(qū)、階梯漩滾區(qū)、墊層區(qū)和摻氣區(qū)四個(gè)主要流速區(qū)，消力池中形成底流區(qū)、低速區(qū)和面流區(qū)。

5、 ⑤從水力學(xué)特性的角度通過(guò)基本公式的推導(dǎo)，結(jié)合己建工程的實(shí)際應(yīng)用情況，得到挑射水舌挑距的估算公式，分析了堰面坡度角和挑坎高度對(duì)挑射水舌的距離以及水舌與階梯面的碰撞消能率的影響。推導(dǎo)出兩支水翅的碰撞點(diǎn)位置、碰撞點(diǎn)與閘室出口水面的高差以及消能率等的估算公式，并分析了寬尾墩收縮角對(duì)這些參數(shù)的影響。 ⑥對(duì)底部水舌、上部水翅和中部水體的不同消能特點(diǎn)進(jìn)行分析，給出了各部分消能率的計(jì)算公式，并對(duì)比了X型寬尾墩、Y-Ⅱ型寬尾墩和無(wú)寬尾墩三