泄水建筑物控制轉(zhuǎn)換段水力特性與體型優(yōu)化研究.pdf

1、明流溢洪道(洞)是水利水電工程常用的溢流設(shè)施，由于布置的需要，引水渠往往存在一定程度的平面轉(zhuǎn)向，這就導(dǎo)致水面產(chǎn)生不同程度的橫向比降，甚至出現(xiàn)漩渦，如果其影響達(dá)到下游泄槽急流段，還有可能產(chǎn)生急流沖擊波，致使水流自由水面波動，直接威脅泄水建筑物乃至大壩的安全。 對于弧門閘門廣泛采用的偏心鉸和伸縮式水封方案，都要求門座側(cè)向突擴(kuò)，底部突跌，從而將閘門止水與摻氣設(shè)施有機(jī)地結(jié)合起來。水流離開門座射出有壓洞口后四周懸空，并沿水平與垂直兩個方向

2、擴(kuò)散，與側(cè)邊墻間形成側(cè)空腔，與跌坎下底板間形成底空腔，底側(cè)空腔相互貫通成為有效的摻氣通道，對下游固壁形成保護(hù)，但是水流沖擊側(cè)墻產(chǎn)生的水翅，以及沖擊反射產(chǎn)生的低壓區(qū)，也會惡化流態(tài)，甚至引發(fā)空化空蝕問題。 本文在回顧總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合九甸峽水利樞紐工程，對雙洞式明流岸邊溢洪道和弧形閘門突擴(kuò)突跌水流銜接控制轉(zhuǎn)換段的復(fù)雜流動進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，主要研究內(nèi)容和成果有： (1)采用κ-ε兩方程紊流數(shù)學(xué)模型和VOF自由表

3、面模擬技術(shù)，對雙洞式溢洪道聯(lián)合泄洪情況下庫區(qū)、引水渠、溢流段和陡槽內(nèi)的三維自由面流動進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬得到了流速、壓力分布等水力學(xué)參數(shù)，揭示了進(jìn)口區(qū)域自由水面的扭曲形態(tài)。把改善進(jìn)口不良流態(tài)，消除堰頂較大負(fù)壓，平衡兩洞間流量分配作為目標(biāo)，針對溢洪洞入口地形陡峭且入口水流存在平面急劇轉(zhuǎn)向的情況，提出了“橢圓曲線翼墻+懸臂直墻”的進(jìn)口整流方案。通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的聯(lián)合應(yīng)用獲得了理想的進(jìn)水口體型與溢流堰曲線形式。 (2)通過常

4、壓模型試驗(yàn)，對弧形閘門突擴(kuò)突跌段的水力特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，原設(shè)計方案壓力洞出口頂板和明渠段存在負(fù)壓，側(cè)墻水翅高，明渠中水流不穩(wěn)，流態(tài)差，水流空化數(shù)偏低，底空腔偏小，水流摻氣能力不足。針對存在的這些問題，提出了兩種體型改進(jìn)方案。 (3)對兩種改進(jìn)方案進(jìn)行了常壓模型試驗(yàn)研究。觀測測量的結(jié)果包括水流流態(tài)，水翅范圍高度，底側(cè)空腔長度，清水區(qū)范圍，底板側(cè)墻壓力分布，水流空化數(shù)及摻氣性能等。 通過對比分析，探討了各體型變化要素

5、對突擴(kuò)突跌段水力特性的影響，特別是側(cè)擴(kuò)寬度對側(cè)墻壓力分布、清水區(qū)范圍及水流流態(tài)的影響，從沖擊反射壓力最小的角度提出了最不利側(cè)擴(kuò)寬度的概念。在局部開啟試驗(yàn)中，開度0.75時流態(tài)很差，而0.5開度時，側(cè)墻存在一定范圍的負(fù)壓域，且空化數(shù)較小，表明特定的局部開啟工況可能使特定流動要素處于最不利的情況。 (4)針對弧形閘門突擴(kuò)突跌段側(cè)墻存在清水區(qū)易于發(fā)生空蝕破壞的問題，通過減壓模型試驗(yàn)對其空化特性進(jìn)行了研究。通過空化噪聲譜聲壓級差及噪聲能

6、量分析得出的兩種改進(jìn)方案的空化特性與常壓試驗(yàn)以水流空化數(shù)為判據(jù)的結(jié)果并不完全對應(yīng)，表明側(cè)墻沖擊反射區(qū)內(nèi)的空化機(jī)理比較復(fù)雜，對其進(jìn)行了初步的探討。 (5)研究了多級水位、不同開度及存在多種尺度凸體時側(cè)墻的空化特性。結(jié)果表明，對于側(cè)擴(kuò)△b=0.5m方案，設(shè)計水位為最不利水位。對于側(cè)擴(kuò)△b=0.8m方案，正常水位為最不利水位，且在閘門0.5開度時，最易于發(fā)生空化。壁面存在凸體時水流噪聲譜聲壓級和相對噪聲能量大幅增加，當(dāng)凸體高度超過0.

7、8cm時，各級水位下水流均發(fā)生空化或初生空化，表明側(cè)墻空化特性對不平整度比較敏感。 (6)對有壓泄洪洞弧形閘門突擴(kuò)突跌出口段三維流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了空腔形態(tài)、側(cè)墻水翅、壓力分布等參數(shù)，探討了空腔沖擊點(diǎn)渦旋對氣流的吸卷作用，并研究了空腔的回水特性。數(shù)值模擬表明在底板和側(cè)墻的沖擊點(diǎn)附近會各形成一個強(qiáng)的渦旋區(qū)，在底板該渦旋卷入空氣，形成下游的摻氣水流，在側(cè)墻該渦旋可能成為誘發(fā)空化的空化源。通過與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，分析了數(shù)學(xué)模型對