帶有摻氣挑坎的臺階式溢洪道的三維數(shù)值模擬.pdf

1、臺階式溢洪道利用臺階的粗糙度與水流在臺階內(nèi)的強烈旋滾產(chǎn)生較高的消能率,但同時大的不平整度卻增加了壁面發(fā)生空蝕破壞的可能性。為避免溢洪道的空蝕破壞而增加的摻氣設(shè)施是臺階式溢洪道研究的重要課題。為此,本文在臺階首部設(shè)置摻氣挑坎,利用摻氣挑坎來摻氣減蝕,這對臺階式溢洪道的應(yīng)用具有重要意義。本文采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方式,RNG k-ε雙方程紊流模型與VOF模型相結(jié)合的計算方法。通過三維數(shù)值模擬,得到了帶有摻氣挑坎的臺階式溢洪道上水流

2、的水力特性。研究內(nèi)容主要包括：臺階式溢洪道在不同時刻、不同工況下的水面線；流速等值線分布和斷面分布；臺階水平面、鉛直面和沿程的壓強分布；紊動能和紊動耗散率的局部、沿程分布；八種工況消能率的對比分析；摻氣空腔長度、通氣孔通氣量的計算等。研究表明,當(dāng)水流流過摻氣挑坎時水面被抬高,挑射出去的水舌越過幾級臺階回落到壩面上時,與臺階相碰撞,形成收縮斷面,同時水流反彈,水面線回升。隨后,水流在每一級臺階上都有一個沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的漩渦,漩渦上部為流

3、動方向與虛擬底板平行的滑移主流,水流逐漸調(diào)整為純臺階式溢洪道的水流流態(tài)。臺階式溢洪道上水流的流速在漩渦中心處趨近于零,向四周逐漸增大,但小于滑移主流的流速。在凸角連線形成的虛擬底板以上,主流流速沿著溢洪道的外法線方向逐漸增大,但增大的過程比較平緩,在增加到最大值以后,斷面流速又略有減小臺階式溢洪道上壓強的分布規(guī)律：水平面從凹角到凸角方向壓強先減小到極小值,然后逐漸增大到最大值,在臨近凸角處,又有所降低,在個別臺階水平面上存在負壓。臺階鉛

4、直面底部有最大正壓,越向上壓強越小,距臺階底部相對高度0.7-0.8倍處壓強趨近于零,最小負壓值出現(xiàn)在距臺階底部相對高度約0.85-0.95倍處。壓強沿程呈波浪形分布。正是由于在臺階面上存在負壓,才有可能導(dǎo)致臺階式溢洪道發(fā)生空蝕破壞,因此,給臺階式溢洪道摻氣減蝕是非常重要的。臺階內(nèi)的紊動能有一個最大值區(qū)域,位于虛擬底板連線的中部。紊動耗散率有三個極大值區(qū),分別位于水平面和鉛直面的凸角附近以及滑移主流和漩渦流的交界面處,其中臺階水平面的凸