泄水建筑物控制轉換段水力特性與體型優(yōu)化研究.pdf

1、明流溢洪道(洞)是水利水電工程常用的溢流設施，由于布置的需要，引水渠往往存在一定程度的平面轉向，這就導致水面產(chǎn)生不同程度的橫向比降，甚至出現(xiàn)漩渦，如果其影響達到下游泄槽急流段，還有可能產(chǎn)生急流沖擊波，致使水流自由水面波動，直接威脅泄水建筑物乃至大壩的安全。 對于弧門閘門廣泛采用的偏心鉸和伸縮式水封方案，都要求門座側向突擴，底部突跌，從而將閘門止水與摻氣設施有機地結合起來。水流離開門座射出有壓洞口后四周懸空，并沿水平與垂直兩個方向

2、擴散，與側邊墻間形成側空腔，與跌坎下底板間形成底空腔，底側空腔相互貫通成為有效的摻氣通道，對下游固壁形成保護，但是水流沖擊側墻產(chǎn)生的水翅，以及沖擊反射產(chǎn)生的低壓區(qū)，也會惡化流態(tài)，甚至引發(fā)空化空蝕問題。 本文在回顧總結前人研究的基礎上，結合九甸峽水利樞紐工程，對雙洞式明流岸邊溢洪道和弧形閘門突擴突跌水流銜接控制轉換段的復雜流動進行了數(shù)值模擬和試驗研究，主要研究內容和成果有： (1)采用κ-ε兩方程紊流數(shù)學模型和VOF自由表

3、面模擬技術，對雙洞式溢洪道聯(lián)合泄洪情況下庫區(qū)、引水渠、溢流段和陡槽內的三維自由面流動進行了數(shù)值模擬研究。模擬得到了流速、壓力分布等水力學參數(shù)，揭示了進口區(qū)域自由水面的扭曲形態(tài)。把改善進口不良流態(tài)，消除堰頂較大負壓，平衡兩洞間流量分配作為目標，針對溢洪洞入口地形陡峭且入口水流存在平面急劇轉向的情況，提出了“橢圓曲線翼墻+懸臂直墻”的進口整流方案。通過數(shù)值模擬和模型試驗的聯(lián)合應用獲得了理想的進水口體型與溢流堰曲線形式。 (2)通過常

4、壓模型試驗，對弧形閘門突擴突跌段的水力特性進行了研究。結果表明，原設計方案壓力洞出口頂板和明渠段存在負壓，側墻水翅高，明渠中水流不穩(wěn)，流態(tài)差，水流空化數(shù)偏低，底空腔偏小，水流摻氣能力不足。針對存在的這些問題，提出了兩種體型改進方案。 (3)對兩種改進方案進行了常壓模型試驗研究。觀測測量的結果包括水流流態(tài)，水翅范圍高度，底側空腔長度，清水區(qū)范圍，底板側墻壓力分布，水流空化數(shù)及摻氣性能等。 通過對比分析，探討了各體型變化要素

5、對突擴突跌段水力特性的影響，特別是側擴寬度對側墻壓力分布、清水區(qū)范圍及水流流態(tài)的影響，從沖擊反射壓力最小的角度提出了最不利側擴寬度的概念。在局部開啟試驗中，開度0.75時流態(tài)很差，而0.5開度時，側墻存在一定范圍的負壓域，且空化數(shù)較小，表明特定的局部開啟工況可能使特定流動要素處于最不利的情況。 (4)針對弧形閘門突擴突跌段側墻存在清水區(qū)易于發(fā)生空蝕破壞的問題，通過減壓模型試驗對其空化特性進行了研究。通過空化噪聲譜聲壓級差及噪聲能

6、量分析得出的兩種改進方案的空化特性與常壓試驗以水流空化數(shù)為判據(jù)的結果并不完全對應，表明側墻沖擊反射區(qū)內的空化機理比較復雜，對其進行了初步的探討。 (5)研究了多級水位、不同開度及存在多種尺度凸體時側墻的空化特性。結果表明，對于側擴△b=0.5m方案，設計水位為最不利水位。對于側擴△b=0.8m方案，正常水位為最不利水位，且在閘門0.5開度時，最易于發(fā)生空化。壁面存在凸體時水流噪聲譜聲壓級和相對噪聲能量大幅增加，當凸體高度超過0.

7、8cm時，各級水位下水流均發(fā)生空化或初生空化，表明側墻空化特性對不平整度比較敏感。 (6)對有壓泄洪洞弧形閘門突擴突跌出口段三維流動進行了數(shù)值模擬，獲得了空腔形態(tài)、側墻水翅、壓力分布等參數(shù)，探討了空腔沖擊點渦旋對氣流的吸卷作用，并研究了空腔的回水特性。數(shù)值模擬表明在底板和側墻的沖擊點附近會各形成一個強的渦旋區(qū)，在底板該渦旋卷入空氣，形成下游的摻氣水流，在側墻該渦旋可能成為誘發(fā)空化的空化源。通過與模型試驗數(shù)據(jù)對比，分析了數(shù)學模型對