前置挑坎臺階式溢洪道水力特性數(shù)值模擬.pdf

1、臺階式溢洪道利用臺階的大粗糙度及臺階內水流的高度漩滾使其具有很高的消能率，且在中、低壩中得到了廣泛的應用。隨著高壩建設的發(fā)展，如何將臺階式溢洪道的消能特點應用到高水頭、大流量情況下，且避免臺階面遭受空蝕破壞是臺階式溢洪道研究面臨的重要課題。
　　 本文采用FLUENT軟件對首級臺階設挑坎+通氣孔臺階式溢洪道進行了二維數(shù)值模擬，模擬壩高80m，溢洪道坡度為30°和40°，單寬流量范圍為22.77m3/(s·m)～50.6m3/(s

2、·m)。采用結構網格與非結構網格相結合的網格劃分方法，RNGκ～ε紊流計算模型，并引入VOF模型對水氣交界面進行追蹤。本文研究了首級臺階設挑坎+通氣孔臺階式溢洪道的水流形態(tài)、自由水面線、壓強分布規(guī)律、速度分布、臺階底部摻氣情況、空腔、漩渦特征及臺階段的消能率等水力特性，并對首級臺階設挑坎+通氣孔體形與不設挑坎+通氣孔體形的水力特性，以及模型比尺影響等問題進行了比較分析。本文得到以下研究結果：
　　 1、挑坎+通氣孔臺階式溢洪道能

3、有效地向臺階近壁面摻氣，避免臺階面遭受空蝕破壞。挑坎有助于改善臺階鉛直面的壓力梯度變化，避免壓強突然減小的現(xiàn)象；通氣孔與挑坎共同作用能減小臺階鉛直面的負壓區(qū)范圍和負壓值，且能消除臺階水平面上的負壓。
　　 2、當溢洪道坡度為30°時，挑坎下游未出現(xiàn)穩(wěn)定的空腔，而臺階坡度增大為40°時，在本文研究的流量范圍內都出現(xiàn)了穩(wěn)定的空腔，且流量越小，空腔區(qū)域越大。
　　 3、漩渦形狀大小及位置主要與臺階幾何尺寸有關，滯留在臺階內的水

4、流在臺階鉛直面、水平面及下泄主流的約束下形成類三角形狀的漩渦流，水流順時針漩滾形成漩渦。越靠近漩渦中心，漩渦的漩滾程度越弱，且漩渦中心速度低于周邊速度。漩渦中心靠上位置的壓強小于漩渦中心處壓強。
　　 4、臺階式溢洪道具有很高的消能率，且坡度越緩，單寬流量越小，則消能率越高。挑坎+通氣孔臺階式溢洪道的消能率比其他體形臺階式溢洪道的消能率高，但差別不大，由此可見，挑坎聯(lián)合通氣孔作用對臺階段的消能率的貢獻不是太大。
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