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(nèi)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(yīng)用。隨著高壩建設(shè)的發(fā)展，如何將臺階式溢洪道的消能特點(diǎn)應(yīng)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(shè)挑坎+通氣孔臺階式溢洪道進(jìn)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法，RNGκ～ε紊流計(jì)算模型，并引入VOF模型對水氣交界面進(jìn)行追蹤。本文研究了首級臺階設(shè)挑坎+通氣孔臺階式溢洪道的水流形態(tài)、自由水面線、壓強(qiáng)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(shè)挑坎+通氣孔體形與不設(shè)挑坎+通氣孔體形的水力特性，以及模型比尺影響等問題進(jìn)行了比較分析。本文得到以下研究結(jié)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(qiáng)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(fù)壓區(qū)范圍和負(fù)壓值，且能消除臺階水平面上的負(fù)壓。
　　 2、當(dāng)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(nèi)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(guān)，滯留在臺階內(nèi)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(qiáng)小于漩渦中心處壓強(qiáng)。
　　 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(xiàn)不是太大。
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