溢流壩臺(tái)階段水力特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、本文以物理模型試驗(yàn)為基礎(chǔ),在國內(nèi)首次利用ADINA軟件,采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式,RNGk-ε模型與VOF模型相結(jié)合的計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了臺(tái)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(tái)階高度（8cm和16cm）的臺(tái)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(jié)果分析,包括水面線、流速、壓強(qiáng)、紊動(dòng)能七、紊動(dòng)耗散率ε、摻氣（VOF值

2、）;臺(tái)階面時(shí)均壓強(qiáng)特性分析;另外,本文還首次對臺(tái)階內(nèi)漩渦的特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,流場各參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)有的模型試驗(yàn)結(jié)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(dá)臺(tái)階段之前,由于重力作用,水面下降;初到臺(tái)階段時(shí),由于臺(tái)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(tái)階凸角連線內(nèi)存在順時(shí)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(tái)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(tái)階凹角部分,由于水流旋滾存在,該區(qū)水流摻混劇烈。
　　 在臺(tái)階水平面上,壓強(qiáng)極大值點(diǎn)位于水流沖擊臺(tái)階水平面處,水流沖擊點(diǎn)兩側(cè)的壓強(qiáng)值均有所減小,呈現(xiàn)波峰現(xiàn)象;水流沖擊點(diǎn)位于距離臺(tái)階凸角(0.3～0.5)倍臺(tái)階長度范圍內(nèi),其位置隨著

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

5、了臺(tái)階凸角向下游紊動(dòng)耗散率逐漸下降,紊動(dòng)耗散率從極大值區(qū)向臺(tái)階凹角和水面方向逐漸減小,而且減小速度逐漸變緩。
　　 臺(tái)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(tái)階開始出現(xiàn),并隨流量增加而增大,其尺寸一般占臺(tái)階尺寸的70％以內(nèi),最后一級臺(tái)階受消力池的影響,在水平方向會(huì)超出一個(gè)臺(tái)階的長度。漩渦壓強(qiáng)值的分布特點(diǎn)是,漩渦中心點(diǎn)以下,中部節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值小,兩側(cè)節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)值略大;漩渦中心點(diǎn)以上,壓強(qiáng)值隨著離開臺(tái)階豎直面之距離的增大而略有