梯形消能墩—台阶组合式消能工水力特性研究_田煜.pdf
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1、第 卷第期 年月水电能源科学 :梯形消能墩台阶组合式消能工水力特性研究田煜,孙西欢,李永业,陈润,耿宽(太原理工大学水利科学与工程学院,山西 太原 )摘要:为降低台阶负压,减少空化空蚀的影响,提高台阶消能效果,在传统台阶凸角位置增设梯形消能墩组成梯形消能墩台阶组合式消能工,采用水工模型试验与数值模拟相结合的方法,研究梯形消能墩台阶组合式消能工的水力特性。结果表明,梯形消能墩台阶组合式消能工台阶水平面与竖直面在靠近凸角附近存在负压,有发生空化空蚀破坏的可能;但台阶水平面与竖直面负压区掺气浓度基本大于,可有效降低空化空蚀危害;在本研究范围内,梯形消能墩台阶组合式消能工消能率可达 以上,消能率随流量
2、的增大而降低。该组合式消能工有利于减小台阶空化空蚀危害和提高台阶消能效果,可为台阶消能工设计和现有台阶溢洪道除险加固提供参考依据。关键词:台阶消能工;梯形消能墩;压强特性;掺气效果;消能特性中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:,修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:田煜(),男,硕士研究生,研究方向为水力学及河流动力学,:通讯作者:孙西欢(),男,博士、教授、博导,研究方向为工程水力学,:1引言近年来,随着碾压混凝土筑坝技术的发展,台阶式消能工得到了广泛应用。当水流经过台阶消能工时,在台阶凹角处产生能量耗散涡,通过与上覆主流能量交换,利用漩涡内部的紊动促使水流能量耗
3、散,有效增加了消能效果。目前,关于传统台阶消能工水力特性的研究成果较丰富。在水流流态方面,提出了划分水流流态的界限公式。在水流掺气方面,田嘉宁等提出了初始掺气点位置与断面掺气浓度的计算公式;等发现坡度越陡,非掺气区长度越短。在台阶压强特性方面,张志昌等分析了台阶水平面与竖直面的压强变化规律,发现台阶竖直面上靠近台阶凸角位置负压最大;邱毅等研究了坡度对台阶负压的影响,发现坡度越陡,台阶负压越大;赵相航等利用空化数研究台阶面上的空化特性,结果表明台阶水平面上最小空化数出现在凹角位置,竖直面上最小空化数出现在凸角位置;在消能特性方面,伍平等发现坡度越缓消能效果越好;常晓巍等研究了台阶溢洪道与消力池组
4、合的消能效果,发现水流大部分能量消散在台阶溢洪道上。现有研究表明,在台阶竖直面靠近凸角附近负压较大,易产生空化空蚀破坏。基于此,本文在台阶凸角位置布置梯形消能墩,将其命名为梯形消能墩台阶组合式消能工,利用模型试验和数值模拟的方法,研究梯形消能墩台阶组合式消能工的压强分布、掺气效果和消能效果,以期降低台阶负压,减小空化空蚀危害,提高消能率。2数学模型构建2.1湍流模型采用 模型模拟梯形消能墩台阶组合式消能工,其中连续性方程为:()()动量方程为:()()()()()方程为:()()()()方程为:()()()()式中,为密度;为时间;、均为速度分量;、均为坐标分量;为分子粘性系数;为紊流粘性系数
5、,取 ;、分别为紊动能、紊动能耗散率对应的普朗特数;为平均速度梯度引起的紊动能产生项;、均为常数项,分别取为 、。2.2网格划分及边界设置数学模型分为引水渠、台阶段和尾水渠三部分。因此,将网格块按引水渠、台阶段和尾水渠分为块,采用结构化网格,对重点研究的台阶段网格加密处理,网格尺寸为(图)。上游水流入口边界采用流量边界;下游水流出口边界采用自由出流边界;顶部边界采用大气压边界;其余边界为无滑移固壁边界。图计算域的网格划分 2.3网格敏感性分析使用尺寸为、的网格,对台阶段网格进行网格无关性检验。种网格尺寸在同一流量工况下第级台阶凸角位置的断面平均水深对比表明,不同网格尺寸下水流断面水深存在差异,
6、随着网格尺寸的减小其平均水深逐渐减小,在网格尺寸为、时逐渐趋于稳定,最大差异仅约,可判断进一步缩小网格对提高计算精度作用不大。此外,在网格尺寸为时,计算时间大幅增加,因此本次模拟采用 网格进行模拟。3数学模型试验验证3.1试验系统试验系统主要由上游水箱、引水渠、台阶段、尾水渠、蓄水池和地下水库组成,形成一个循环系统,模型布置剖面示意图见图。其中,引水渠长图模型试验装置及剖面布置图 ,宽;台阶段由级台阶组成,坡比为:,单级台阶长 ,高 ,宽 。模型布置两种试验方案,如图,体型为传统台阶消能工方案;体型为梯形消能墩台阶组合式消能工方案,在台阶水平面凸角位置布设梯形消能墩,梯形消能墩长 、宽 、高
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