發(fā)布時間：2020-05-27 10:39

【摘要】：高水頭、大單寬流量條件的廣泛存在以及實驗研究的稀缺,使得實際工程中常常遇到下泄流量過大消力池沖刷嚴(yán)重、面臨臺階部位嚴(yán)重的空蝕空化問題而工程設(shè)計人員僅能依靠工程經(jīng)驗進(jìn)行解決等現(xiàn)象。本文在國家自然科學(xué)基金“階梯溢流面與WES曲面的銜接方式對寬尾墩+階梯溢流壩+消力池消能工水力特性的影響研究(51569010)”的支持下,采用比尺為1:60的阿海水工模型,探究不同過渡臺階體型條件下,對水深、時均壓強(qiáng)、壩面摻氣狀況及消能率等水力特性的影響,為進(jìn)一步完善寬尾墩+階梯溢流壩+消力池整體聯(lián)合消能方式提供一定的實驗依據(jù)。本文主要研究結(jié)果如下:(1)過渡臺階體型發(fā)生改變時,水深、時均壓強(qiáng)、流速的變化趨勢一致。水深總體呈現(xiàn)出先明顯增長后趨于穩(wěn)定最后自由出流略有下降的趨勢;WES曲線段時均壓強(qiáng)變化實測數(shù)值十分穩(wěn)定。臺階段時均壓強(qiáng)波動較小,總體略有增加,但沒有一定的規(guī)律性。反弧段及消力池段時均壓強(qiáng)在高速水流、靜水深度以及回流的共同影響下,先急劇增加;后由于水流回流的影響,水流流速略有降低,時均壓強(qiáng)略有下降;最后由于消力池底流消能和消力池尾坎的影響,促使時均壓強(qiáng)緩慢增加。(2)各方案過渡臺階的負(fù)壓分布規(guī)律基本一致,其負(fù)壓主要分布在臺階垂直固壁面上。臺階負(fù)壓沿著臺階的垂直面逐漸增加,負(fù)壓最大值在臺階垂直固壁面底部測點處出現(xiàn)。其中,由3個體型為25mm×12.5mm的過渡臺階型式負(fù)壓最小,有利于降低過渡臺階最大負(fù)壓值、降低臺階空蝕空化風(fēng)險。(3)通過實驗得知,改變過渡臺階的寬度、高度均使過渡臺階摻氣狀況得以改善。其中單一改變過渡臺階高度摻氣狀況最好,其平均摻氣濃度為84.73%。與此同時,過渡臺階寬度及高度同時進(jìn)行改變時,摻氣狀況較差。說明過渡臺階與寬尾墩相銜接處臺階高度過小、寬度過大時,旋滾水流匯入主流時間增長,臺階壩面不能充分摻氣,易出現(xiàn)空蝕空化破壞。(4)在首級大臺階、兩級大臺階的影響下,改變過渡臺階體型發(fā)現(xiàn),各方案均在一定程度上改善臺階壩面摻氣、降低壩面負(fù)壓、減小空蝕空化。(5)各實驗方案整體消能效果的增加或降低并不明顯,說明改變過渡臺階體型對聯(lián)合消能方式整體消能效果影響不大。(6)通過實驗對比分析,改變過渡臺階高度對壩面摻氣及降低壩面負(fù)壓產(chǎn)生的積極影響最大。并且臺階體型并非越大越好,大臺階數(shù)目并非越多越好,適宜地改變臺階體型,有利于減小階梯溢流壩空蝕空化破壞的可能。綜上所述,可通過合理選擇過渡臺階體型來改善寬尾墩+階梯溢流壩+消力池聯(lián)合消能方式的水力特性。其中過渡臺階高度對其產(chǎn)生的積極影響最大,由3個25mm×12.5mm臺階組成的過渡臺階為最佳實驗方案。
【圖文】：

圖 1.1 水東水電站 圖 1.2 大朝山水電站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法與內(nèi)容迄今為止，為了適應(yīng)高水頭、大單寬流量的大中型工程泄流消能要求以及避免臺階垂直面產(chǎn)生過大的負(fù)壓，國內(nèi)外眾多學(xué)者對聯(lián)合消能方式進(jìn)行了科學(xué)研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用數(shù)值模擬方式建立紊流模型，采用 VOF方法來追蹤自由水面，并將 VOF 方法引入結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的 k-ε紊流模型，經(jīng)過不斷地努力成功地模擬階梯溢流壩面的流場，證明了自由水面的求解在實際工程中具有重要意義；Michael Pfister、張志昌等人[29-31]對單一臺階式溢洪道摻氣發(fā)生點的位置及摻氣變化分區(qū)進(jìn)行了研究，對臺階水流進(jìn)行了細(xì)分，得出了臺階式溢洪道上的壓強(qiáng)分布及其規(guī)律；張靚等[32]通過數(shù)值模擬針對前置摻氣坎角度對溢流壩階梯面消能特性的影響進(jìn)行了研究分析，，得出了前置摻氣坎對溢流壩階梯面消能特性的規(guī)律性；王強(qiáng)等[33]對不同臺階數(shù)的過渡臺階對階梯溢流壩面壓強(qiáng)及消能特性

圖 1.1 水東水電站 圖 1.2 大朝山水電站Fig.1.1 Shuidong hydropower station Fig.1.2 Dachaoshan hydropower station1.4 本文的研究方法與內(nèi)容迄今為止，為了適應(yīng)高水頭、大單寬流量的大中型工程泄流消能要求以及避免臺階垂直面產(chǎn)生過大的負(fù)壓，國內(nèi)外眾多學(xué)者對聯(lián)合消能方式進(jìn)行了科學(xué)研究如 Boussinesq J、Plandtl L 等人[10-28]利用數(shù)值模擬方式建立紊流模型，采用 VOF方法來追蹤自由水面，并將 VOF 方法引入結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的 k-ε紊流模型，經(jīng)過不斷地努力成功地模擬階梯溢流壩面的流場，證明了自由水面的求解在實際工程中具有重要意義；Michael Pfister、張志昌等人[29-31]對單一臺階式溢洪道摻氣發(fā)生點的位置及摻氣變化分區(qū)進(jìn)行了研究，對臺階水流進(jìn)行了細(xì)分，得出了臺階式溢洪道上的壓強(qiáng)分布及其規(guī)律；張靚等[32]通過數(shù)值模擬針對前置摻氣坎角度對溢流壩階梯面消能特性的影響進(jìn)行了研究分析，得出了前置摻氣坎對溢流壩階梯面消能特性的規(guī)律性；王強(qiáng)等[33]對不同臺階數(shù)的過渡臺階對階梯溢流壩面壓強(qiáng)及消能特性
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV135.2

【參考文獻(xiàn)】

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9 李布靂,馮瑞林,韓s

本文編號：2683404