溢流壩臺階段水力特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以物理模型試驗為基礎,在國內(nèi)首次利用ADINA軟件,采用結構化網(wǎng)格劃分方式,RNGk-ε模型與VOF模型相結合的計算方法,實現(xiàn)了臺階式溢流壩水力特性的數(shù)值模擬。本次研究的對象是三種壩坡（40°、50°和60°）、兩種臺階高度（8cm和16cm）的臺階式溢流壩,其單寬流量范圍為q=0.007548m2/s～0.2394m2/s。研究內(nèi)容主要有:流場各參數(shù)的數(shù)值模擬結果分析,包括水面線、流速、壓強、紊動能七、紊動耗散率ε、摻氣（VOF值

2、）;臺階面時均壓強特性分析;另外,本文還首次對臺階內(nèi)漩渦的特性進行了分析。結果表明,流場各參數(shù)的數(shù)值模擬結果與現(xiàn)有的模型試驗結果吻合度較高,這表明模擬所采用的方法是合理的。
　　 水流經(jīng)過堰頂之后且到達臺階段之前,由于重力作用,水面下降;初到臺階段時,由于臺階的存在改變了水流的邊界條件而對水流的阻滯以及水流摻氣作用,水面有所回升;隨后,由于邊界條件不再變化,水面線沿程逐漸趨于穩(wěn)定。
　　 臺階凸角連線內(nèi)存在順時針旋滾,漩

3、渦的流速隨渦旋半徑的減小而減小,即漩渦中心處的流速小,向四周逐漸增大,但小于主流的流速,主流的速度等值線大致平行于壩坡面。在自然摻氣情況下,臺階式溢流壩摻氣率從水面沿水深方向逐漸減小,沿程逐漸增加,在臺階凹角部分,由于水流旋滾存在,該區(qū)水流摻混劇烈。
　　 在臺階水平面上,壓強極大值點位于水流沖擊臺階水平面處,水流沖擊點兩側的壓強值均有所減小,呈現(xiàn)波峰現(xiàn)象;水流沖擊點位于距離臺階凸角(0.3～0.5)倍臺階長度范圍內(nèi),其位置隨著

4、臺階坡度的減小而逐漸向臺階凹角方向移動。在臺階豎直面上,負壓區(qū)位于臺階凸角下豎直面附近,其范圍占臺階高度的30﹪～40﹪左右;壓強自臺階凹角向凸角方向逐漸減小,直至在凸角下緣達到壓強極小值為止,臺階凸角處壓強雖有所回升,但仍是負壓。
　　 紊動能k的數(shù)值,在水流沖擊臺階水平面的附近,為其最大值區(qū)域,然后,紊動能向兩側遞減,其中向臺階凹角一側減小的速度快,向自由水面一側減小的速度較慢。紊動耗散率ε值的極大值區(qū),位于臺階凸角附近,過

5、了臺階凸角向下游紊動耗散率逐漸下降,紊動耗散率從極大值區(qū)向臺階凹角和水面方向逐漸減小,而且減小速度逐漸變緩。
　　 臺階上漩渦,一般出現(xiàn)在滑行水流和過渡水流中,從第二級臺階開始出現(xiàn),并隨流量增加而增大,其尺寸一般占臺階尺寸的70％以內(nèi),最后一級臺階受消力池的影響,在水平方向會超出一個臺階的長度。漩渦壓強值的分布特點是,漩渦中心點以下,中部節(jié)點壓強值小,兩側節(jié)點壓強值略大;漩渦中心點以上,壓強值隨著離開臺階豎直面之距離的增大而略有