在階梯溢洪道前加設摻氣坎,高速水流流經(jīng)摻氣坎形成挑射水舌,使水流底部產生強迫摻氣,增加水流中的摻氣濃度以保護階梯面,減小階梯面負壓,這種前置摻氣坎階梯溢洪道能夠有效兼顧過水建筑物在高水頭,大單寬流量下運行時的消能效果與減蝕情況,深入研究高速水流下的前置摻氣坎階梯溢洪道具有工程實際意義。如今數(shù)值模擬已成為高速水力學中常用的研究手段,本課題基于兩相流基本方程,在某大型水電工程試驗研究基礎上,選用紊流模型、卷氣模型、漂移通量模型,對高速水氣兩相流在前置摻氣坎階梯溢洪道不同體型設置的模擬工況下進行數(shù)值仿真計算,探尋了改變臺階高度和溢洪道底坡對溢洪道的水流流態(tài)、水面線、摻氣空腔長度和摻氣濃度、壓強分布、流速分布和消能效果等水力特性的影響,并研究摻氣坎高度與臺階高度、溢洪道底坡在實際工程中的適配性問題,為工程設計和方案優(yōu)化提供參考。研究得出結論:臺階高度增大有利于前設摻氣坎階梯式溢洪道的消能效果,但會使前幾級臺階豎直面的負壓增大,發(fā)生空蝕破壞的風險增大,將摻氣坎的高度增大到0.8m能有效增大摻氣保護空腔的長度,增大臺階近壁面的摻氣濃度以減輕負壓造成的空蝕破壞風險;溢洪道底坡為1:4.25時前幾級臺... 

【文章來源】：西安理工大學陜西省

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

前置摻氣坎階梯溢洪道計算區(qū)域示意圖單位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways

3數(shù)值模擬模型構建153數(shù)值模擬模型構建3.1數(shù)值模型構建某大型水電站工程采用心墻堆石壩，壩高為147m，總裝機容量為420MW，岸邊開敞式階梯式溢洪道堰頂高程為2124m，長度540m，進口采用WES型實用堰，階梯段采用C20混凝土現(xiàn)澆，在首級階梯前設置了一道摻氣坎，高度為0.5m，坡度為1：10。最大工作水頭為140m，最大下泄流量為760m3/s，泄槽寬度為10m，最大單寬流量為76m2/(s·m)[38]。本次數(shù)值模擬研究結合此水電站工程溢洪道的模型試驗[40]展開，計算區(qū)域起始點為摻氣坎位置前80m處，階梯段溢流壩面的首級臺階設置在摻氣坎位置后20m處，計算下泄單寬流量取最大值76m2/(s·m)。采用FLOW-3D軟件模擬仿真共九種工況下前置摻氣坎階梯溢洪道大單寬泄流運行時的高速摻氣水流水力特性，計算域示意圖如圖3-1所示，采用CAD三維建立計算域三維模型如圖3-2所示。圖3-1前置摻氣坎階梯溢洪道計算區(qū)域示意圖單位：mFig.3-1Calculationareadiagramofpre-aeratorsteppedspillways圖3-2前置摻氣坎階梯溢洪道三維模型圖Fig.3-23Dmodeldiagramofpre-aeratorsteppedspillways

西安理工大學工程碩士專業(yè)學位論文16針對摻氣坎尺寸的設置，國內外眾多工程設計和建設中常采用的摻氣坎坡度一般在1:5~1:15之間選取，有研究證明摻氣坎坡度為1:10時水流流態(tài)更平順[36]，本次研究選取1:10的摻氣坎坡度；有摻氣坎高度對階梯面影響的試驗研究表明[45]，當摻氣坎高度超過1.2m的工況下，泄流壁面上的挑射水舌沖擊壓強將超過20×9.8kPa，容易引起階梯面發(fā)生破壞，本次研究選取0.7m、0.8m、0.9m三種摻氣坎高度。由水工試驗結果[40]可知，在臺階高度低于2.0m下量測到下泄水流的末端流速超過30m/s，消能效果較差。因此本次模擬研究選取2.0m、2.5m、3.0m三種不同臺階高度的階梯式溢洪道體型。試驗模型溢洪道沿軸底板坡度為1：3.75，本次數(shù)值模擬選取1:3.75、1:4.25、1:4.75三種不同溢洪道底坡體型進行研究。各工況及體型尺寸見表3-1。表3-1各工況及體型尺寸表Table.3-1Theworkingconditionsandsizetable工況臺階高度（m）溢洪道底坡i摻氣坎高度（m）a-12.01:3.750.7a-22.51:3.750.7a-33.01:3.750.7a-42.51:3.750.8a-52.51:3.750.9b-12.51:4.250.7b-22.51:4.750.7b-32.51:4.250.8b-42.51:4.250.93.2網(wǎng)格劃分及邊界條件網(wǎng)格劃分如圖3-3、3-4、3-5所示。為使數(shù)值模擬計算更為精確且效率更高，采用銜接法共設置五個網(wǎng)格塊，光滑溢流壩段的網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.5m的正方體均勻網(wǎng)格，將摻氣坎處及階梯溢流壩段的網(wǎng)格尺寸進行了加密，設置為0.25m×0.25m×0.25m的正方體均勻網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量總計約為1166萬。圖3-3網(wǎng)格平面Fig.3-3Meshplanes

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]前置摻氣坎式階梯溢洪道摻氣水流的數(shù)值模擬[D]. 李梅玲.西安理工大學 2018
[2]臺階式溢洪道摻氣水流數(shù)值模擬[D]. 鄒璐.西安理工大學 2016
[3]大小臺階組合的過渡階梯對階梯溢流壩水力特性影響研究[D]. 王強.昆明理工大學 2016
[4]某階梯溢洪道的水流水力特性數(shù)值模擬研究[D]. 高夢露.大連理工大學 2015
[5]溢流壩泄流過程水流流態(tài)數(shù)值模擬[D]. 楊思雨.大連理工大學 2015
[6]雙孤立波爬高的數(shù)值模擬[D]. 王賀.上海交通大學 2015
[7]水工閘門啟閉過程中的動水垂直力的數(shù)值模擬研究[D]. 訾娟.天津大學 2012
[8]帶有摻氣挑坎的臺階式溢洪道的三維數(shù)值模擬[D]. 尹芳芳.西安理工大學 2010
[9]臺階式溢洪道強迫摻氣水流水力特性的試驗研究[D]. 駢迎春.西安理工大學 2007
[10]階梯溢流壩水力特性和消能機理試驗研究[D]. 楊慶.四川大學 2002



本文編號：3010145