高水头龙抬头泄洪洞掺气减蚀试验研究及数值模拟

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1、四川大学硕士学位论文高水头龙抬头泄洪洞掺气减蚀试验研究及数值模拟姓名：王海云申请学位级别：硕士专业：水力学及河流动力学指导教师：戴光清20040501摘要高水头龙抬头泄洪洞掺气减蚀试验研究及数值模拟水力学及河流动力学专业硕士研究生：王海云指导教师：戴光清教授捅斐工程实际中常将导流洞改建为泄洪洞，洞首多采用龙抬头段与原导流洞相连结。龙抬头泄洪洞泄洪时通常形成的是明流流态，其突出的特点是：流速高、单宽流量大、低F，数和小底坡，反弧末端掺气坎后射流的重力影响十分显著，掺气坎后底空腔区流线弯曲严重，掺气空腔内容易产生积水等。国内外学者对高水头泄洪洞掺气设施的体型优化，进行了较多的试验与理论研究

2、：然而，多数文献在提高掺气设旌的掺气性能方面，仅考虑了沿顺水流方向的二维变化，所提出的掺气设施存在体型复杂、不容易施工或施工难度大等问题，掺气坎后水流存在垂直于水流方向的横向流动，进而影响了掺气效果。本文首先通过试验研究，从掺气坎后空腔区的三维形态考虑，提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎)：其主要特点是：掺气坎后射流水舌沿垂直于水流方向的重力分布发生变化，即掺气坎后射流水舌的流速、挑角和高程，沿中心向两侧保持连续变化，其水舌落水点的范围即空腔长度，成为一连续变化的曲线，而且沿曲线处水流的流速也是连续变化的，从而减弱或消除了水流落水处由碰撞形成回水。在V型坎出口断面处，水流的三维扩

3、散更充分，水舌与空腔的接触面明显增大，有利于增加水流的掺气量，同时在落水点处受水流的强烈紊动，进一步提高了掺气效果，对底空腔长度、通气量等掺气特性指标都有明显的改善。通过对试验结果的比较和分析研究，在前人研究基础上，建立了预测V型坎掺气特性的数学模型，提出了有关底空腔长度、空腔负压、通气量的理论预pq川人学1学倾I。学位论文测公式。为了对龙抬头明流泄洪洞水流流场特性进行全面深入的研究，本文还采用三维k一占双方程紊流模型模拟了泄洪洞的紊流流场，并且采用非结构网格来处理复杂的边界形状，对自由水面，引入水．气两相分层流理论中的流体体积分数法(VOF)来迭代求解。通过模拟计算，得到泄洪洞内水面

4、线、速度场、压力场和底空腔长度等水力参数，通过与实测结果对比分柝，数值模拟结果与实测值吻合较好。由于泄洪洞反弧段下游水流表面自掺气尚不够充分，底部强迫掺气尚未充分扩散，在反弧段下游侧墙，容易形成较大范围的清水带(掺气盲区)，同时受反弧段离心力和掺气坎后侧墙存在低压区的影响，故下游侧墙壁面易发生空蚀破坏。文中在反弧末端设置了突缩和突跌掺气设施，在侧墙两边对称布置侧向折流器：试验结果表明，侧墙突缩比的范围宜为0．012～0．018，侧收缩坡度范围在l：40～1：20之间。加设侧向折流器后，侧墙水流的出射角增大，侧空腔畅通，并直接和底空腔相连，形成稳定的侧空腔和底空腔，更有助于掺气坎后水舌的

5、全断面的掺气，对侧墙和底板皆起到了很好的保护作用。关键词：高水头：龙抬头泄洪洞；掺气减蚀；试验研究；紊流数值模拟；水气两相流：VOF模型；侧墙掺气；折流器H摘凄ModeltestandTurbulenceNumericalSimulationontheDragon·-Raise-·HeadFreeFlowSpillwayTunnelWithHighHeadMajor：HydraulicsandRiverDynamicsPostgraduate：WangHai-yunSupervisor：Prof．DaiGuang—qingAbstractInthehydraulicengineerin

6、gdiversiontunnelisoftenrebuilttofloodspillwaytunnel，whichlinkeddragon-raise·headsectortothediversiontunnel．Theaeratorsarewidelyusedinfloodspillwaystunnelstopreventthecavitationdamageofthestructures．Thecharacteristicsofthedragon-raise—headspillwaytunnelarehighhead，large—unit—discharge，lowFroudenu

7、mberandslightslope．Large—dischargeandlowFroudenumberimplyhighdepthofwater，theimpactofthegravitationsisnotable．Sothereiseasilybackwaterintheairchamber，whichobviouslyaffectsonthehydrauliccharacteroftheaeratoLOntheconditionofsl