收缩扩散与底流复合消力池的试验研究与数值模拟

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1、 分类号 UDC 密 级 学 号 1108150871 硕士学位论文硕士学位论文 收缩扩散与底流复合消力池的试验研究与数值模拟收缩扩散与底流复合消力池的试验研究与数值模拟 郭郭 开开 开开 学学 科科 名名 称：称： 水力学及河流动力学水力学及河流动力学 学学 科科 门门 类：类： 工学工学 指指 导导 教教 师：师： 牛牛 争争 鸣鸣 教授教授 申申 请请 日日 期：期： 2014 年年 3 月月 Abstract shrinking pier body of Y type. The flow in the front of basin fluctuates turbulently and

2、owns the obvious characteristics of three element distributions, but the flow in the back of the basin uniforms slowly and presents the characteristics of three element distributions. (4). The jet in the basin including contracted jet and diffuse jet shears strongly and presents severe turbulence wi

3、th the vortex at both side and surface. The power of turbulence, the dissipation rate and energy loss is larger. It indicates the shear of turbulence between jet and vortex is the important fact due to the energy loss. The shear of turbulence of jet and vortex at both side among them is stronger tha

4、n the surface vortexs. The section of strongest turbulence is located at 15m from the first pool. The maximum value of turbulence kinetic energy is 7m2/s2 and the maximum value of the dissipation rate is 33m2/s3 and gradually decreases along the way. (5). The energy dissipation rate of the shape of

5、the stilling basin with contraction of diffusion and underflow is 66.61% and can increase 5.67% comparing with the conventional stilling basin without the pier of contraction. Frequently, the effect of energy dissipation is better under the flow condition of large unit discharge and low Fr. Key word

6、s: the state of unstable oscillating fluid, shape optimization, compound stilling basin with underflow and contraction with diffusion, hydraulic characteristics, numerical simulation 目录 目录目录 主要符号表 . 1 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 大单宽流量、低弗劳德数（Fr=2.54.5）消力池的研究进展 2 1.3 收缩扩散与底流复合消力池的提出 . 4 1.4 泄水建筑物的数值模拟 . 5 1.5 本

7、文的研究内容及意义 . 5 1.5.1 本文研究的主要内容 5 1.5.2 本文研究的意义 6 2 模型设计、量测与试验工况 7 2.1 工程概况 . 7 2.2 模型设计与量测 . 8 2.2.1 模型设计与制作 8 2.2.2 量测设备及方法与测点布置 9 2.3 试验工况 . 11 3 泄洪洞消力池体型优化及优化体型的水力特性 12 3.1 原设计体型常规消力池水流流态及水力特性分析 . 12 3.1.1 水流流态分析 12 3.1.2 水面线特性 13 3.1.3 压强特性 14 3.1.4 流速特性 14 3.2 消力池各优化体型对水流流态的影响 . 15 3.2.1 连接段曲线体型

8、对消力池水流流态的影响 15 3.2.2 侧堰体型及尾坎高度对消力池水流流态的影响 18 3.2.3 收缩墩体型对消力池水流流态的影响 19 3.3 Y 型收缩墩体型参数及尾坎高度对消力池水流流态的影响 22 3.3.1 Y 型收缩墩体型参数对消力池水流流态的影响 . 22 3.3.2 不同侧堰体型及尾坎高度对消力池水流流态的影响 23 3.4 Y 型收缩墩加侧堰体型消力池的水力特性分析 26 3.4.1 Y 型收缩墩加侧堰消力池体型 . 27 3.4.2 流态特征 28 3.4.3 水面线特性 29 3.4.4 压强特性 30 3.4.5 流速特性 31 西安理工大学硕士学位论文 3.4.6

9、 消能机理 33 3.5 本章小结 . 33 4 收缩扩散与底流复合消力池的数值计算模型的验证 35 4.1 计算区域的三维体型、模型验证工况及网格划分 . 35 4.2 紊流数学模型 . 36 4.3 边界条件 . 37 4.4 计算方法的选取 . 38 4.4.1 离散方法 38 4.4.2 数值算法 38 4.4.3 自由表面的追踪 39 4.5 模型的验证 . 39 4.5.1 网格无关性验证 40 4.5.2 紊流模型的选取 40 4.5.3 计算模型的验证 41 4.6 本章小结 . 42 5 收缩扩散与底流复合消力池的数值模拟研究 44 5.1 收缩扩散与底流复合消力池的流态特征

10、 . 44 5.1.1 不同尾坎高度下消力池水流流态特征 44 5.1.2 不同来流条件下消力池水流流态特征 47 5.1.3 收缩扩散与底流复合消力池水流流态分析 49 5.2 淹没射流与略淹没底流复合流态下消力池的水力特性 . 50 5.2.1 流速特性 50 5.2.2 压强特性 57 5.2.3 紊动能与耗散率 59 5.2.4 消能率 60 5.3 本章小结 . 62 6 结论与展望 64 6.1 结论 . 64 6.2 展望 . 65 致谢 67 参考文献 68 附录 71 主要符号表 主要符号表主要符号表 主要符号 代表的意义 Fr 弗劳德数 Q 泄流量 q 单宽流量 h1 跃前

11、收缩断面水深 h2 第二共轭水深 ht 跃后水深 原、模型物理量之比 B 消力池宽度 L 消力池长度 Lx/B 相对桩号 Lx 距消力池起始断面的水平距离 H 相对上游水位 h 相对下游水位 v1 入池收缩断面平均流速 z 消力池水面波动值 p 压强 水的容重 z 距消力池底板高度 u 消力池断面平均流速 水流进入消力池入射角 淹没系数 收缩比 k 紊动能 耗散率 hd 尾坎高度 收缩墩对第二共轭水深的影响系数 v尾 尾坎断面的平均流速 E1 总能水头 E2 尾坎断面的能量水头 h1-2 能量损失水头 消能率 第一章 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 1996 年，统计数据显示已建成泄

12、流量超过 5000m3/s 且坝高在 200m 以上的重力拱坝 和重力坝在国外当时只有 6 座，分别是印度的巴拉克、俄罗斯的萨阳舒申斯克、美国的德 沃歇克、奥本、格兰峡、胡佛 1，其中前 3 座均采取消力池底流消能。目前，我国水电开 发体现出 “水头高、 泄量大、 河谷窄” 的特征， 开发困难加剧， 比如溪洛渡大坝水头 231m， 泄洪量为 50300m3/s， 泄洪功率为 9.8 万 KW； 小湾大坝水头 250m， 泄洪流量 20700m3/s， 泄洪功率为 4.6 万 KW 等。 若这些水利工程的泄洪消能问题不能得到较好地解决， 将有可 能引起水工建筑物的破坏， 甚至有可能导致大坝失事等

13、严重后果。 四川龚咀水电站面流消 能工下游的破坏和美国的德沃夏克溢流坝消力池的破坏就是前车之鉴 2。 因此在以后的水 利工程设计与建设中，泄洪消能应依旧作为水力学研究的重中之重。 底流消能是消能方式的其中一种， 古老而成熟， 国内外学者对其进行了许多试验研究， 它适用不同水头、不同的地形地质条件，流态稳定。尤其是雾化影响小是其比较突出的优 点 3。但在当今高坝建设潮流中，这种消能方式在国内外却应用很少，据统计国外大于 100m 的 403 座高坝工程中，只有 25 座采取底流消能，其中坝高在 200m 以上的只有 3 座 4。随着高水头大坝的陆续增加，用于高水头消能的底流消能工相应亦有所增加。

14、向家坝 水电站因受环境限制，放弃挑流消能，转而采用底流消能，就是一个非常典型的工程实例 5。为了建设环境水利、生态水利，底流消能在高坝工程中的应用的课题亟待进一步研究 解决。 底流消能的实质其实就是水跃消能 6， 水跃是明渠水流从急流过渡至缓流时水面突然 跃起的局部水力现象，从跃前收缩断面运动到跃后断面的过程中，消耗掉部分能量，同时 实现了从急流到缓流的过渡。能量耗散机理如下：发生水跃时，可将水跃区的水流看成两 部分，一部分是由急流引起而形成的表面漩涡，滚动翻腾，混掺大量气体，流动速度慢， 称为“表面漩涡” ；另一部分则是漩涡下面的主流，流速由快减慢，水深由小变大。在主 流和表面漩涡的临界面速

15、度梯度大，切应力大，紊动剪切强烈，两者不断进行质量交换， 产生大量的小漩涡，从而实现能量转换的目的。 对于上游水头不高，流量较大的闸坝，下游收缩断面水流的弗劳德数往往小于 4.5， 这种水跃称为低弗劳德数水跃。为了适应这种低 Fr 数入池水流所建设的消力池因此应运 而生，称为低 Fr 数消力池。文献7表明：Fr 的值是水跃发生的决定因素，依据 Fr 的值 可将水跃分为五种形式：（1） Fr=11.7： 波状水跃；（2） Fr=1.72.5： 弱水跃；（3） Fr=2.54.5： 不稳定或振荡水跃； （4）Fr=4.59：稳定水跃； （5）Fr9：强水跃。显然，这种消力池应 最大限度地消除水面波

16、动，改善速度分布，强化水面漩滚和稳定水跃。 西安理工大学硕士学位论文 2 1.2 大单宽流量、低弗劳德数大单宽流量、低弗劳德数（Fr=2.54.5）消力池的研究进展消力池的研究进展 对于振荡水跃， 国内外众多专家和学者对其进行了研究， 提出了很多解决方案并部分 应用到了工程实践中，简要介绍如下： （1）多级消力池 目前，在中国采用多级消力池的工程为数不多，己使用的有四川东西关水电站、沐河 大官庄枢纽、黄河沙坡头施工导流明渠等。对于低弗劳德数水跃消能，因为每一级消力池 的消能率很低，仅有 20至 30，采用多级消力池，使水跃水流产生落差，到下一级消 力池再次形成水跃，通过多级能量耗散的积累，可获得更好的消能效果。如东进闸原来的 设计消力池级消能率为 19.8，经过五级消力池后，总消能率达到 62 8-10。 （2）消力池+消力墩 消力墩属于冲击式消能工，常用的有矩形墩、梯形墩、T 型墩和角锥墩等。当消力墩 设置在