某水库阶梯溢洪道水力特性研究.pdf

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1、第38卷第6期人民黄河Vo1．38．No．62016年6月YELLOWRIVERJun．，2016【工程勘测设计】某水库阶梯溢洪道水力特性研究钟晓凤，张法星，孙宁，张亚磊(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)摘要：采用标准k-e双方程紊流模型，结合VOF法，对某水库阶梯溢洪道的水面线、流速、底板压强等水力特性进行了数值模拟，部分计算结果与1：30比尺水工模型试验的结果进行了对比验证。结果表明：单宽流量较大时阶梯段水流为滑移水流流态，阶梯段水面较稳定；消力池内为淹没水跃，水面波动剧烈。台阶

2、水平面外缘的压强明显大于内侧，各个台阶的压强分布规律一致，阶梯加消力池联合消能的效果显著，可供类似工程参考。相关水力参数的数值计算值和试验结果吻合良好，三维紊流数值计算可以获得流场的详细信息，表明采用上述紊流模型来计算阶梯溢洪道的流场是可行的。关键词：阶梯溢洪道；VOF模型；流场；消力池；消能率中图分类号：TV135．2文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2016．06．029近年来，阶梯式溢洪道以消能效果好、工程量小、为阶梯，共19级。其中前三级为过渡段，阶梯高分别造价低等特点越来越

3、多地被运用到水利水电工程中。为0．5、0．8、O．9m，宽分别为2．4、2．7、1．0m，其余阶梯对阶梯消能工的水面线、消能率、掺气特性、摩阻系数、高1．0m、宽3．0m。泄槽末端接消力池，消力池宽14．0模型的比尺效应等方面的研究也日益受到人们的重m、长30．0m，尾坎高3．0m，消力池底板高程为403．0视j。随着研究的不断深化，人们认识到，水面线、m，消力池末端为人工明渠。溢洪道体型见图1，X、Y、摩阻系数、掺气特性、消能率等宏观水力参数与阶梯溢z分别为轴向、纵向、垂向起点距。洪道水流的流场结构紧密相关J。阶梯溢洪

4、道水流2010流场结构研究方法也由最初的水工模型试验，发展到目O模型试验和三维紊流数值计算相结合。通过对压0204O6。舳l0012014O16018。强的研究发现，台阶水平面上压强沿水流方向由上游(a)平面向下游先增大后减小，且最大值位于水平面外缘1／3～1／4处；而压强的最小值则位于台阶立面上，有时甚至会出现负压_】。为了求得台阶溢洪道的水面线，人m们还引入了相对比能的概念，发现台阶溢洪道的相对(b)纵剖面比能与流程长度呈线性关系，从而可以通过光滑溢洪图1某溢洪道体型道水面线推求出台阶溢洪道的水面线¨。消能率2模型试

5、验与数值计算方法与阶梯溢洪道的坡比有关，而且随相对坝高和台阶高度的增加而增大，而单宽流量增加、消能率下降主要是2．1水工模型试验纯台阶消能作用不变导致的¨卜。笔者采用水工模水工模型依据重力相似准则设计，比尺为1：30，型试验和标准k-s紊流模型相结合的方法，对某水库为正态模型。上游水库两岸地形模拟至坝轴线上游约阶梯溢洪道的流场进行研究，并通过水工模型试验进300．0m处，高程至431．0m；下游河道两岸地形模拟至行了验证。消力池出口下游约200．0m处，高程至412．0m。流速测量使用南京水利科学研究院生产的LGY—I1

6、型智能1工程概述旋桨流速仪。脉动压强采集使用成都泰斯特公司生产某水库由拦河大坝、溢洪道、放空隧洞等建筑物组的TST5000型高速数据采集器。试验前采用毕托管流成。水库正常蓄水位428．5m，坝顶高程431．0m。溢洪道由进水渠、控制段、泄槽、消力池及出水渠等组成。收稿日期：2016—03—03基金项目：国家自然科学基金资助项目(51109150)。控制段采用宽顶堰过流，闸室底板高程422．0m，溢流作者简介：钟晓凤(1990一)，女，四川简阳人，硕士研究生，净宽12．0m，设2孔平板钢闸门控制下泄流量。泄槽研究方向为水工

7、水力学。通信作者：张法星(1979一)，男，山东嘉祥人，博士，主要从过水断面为矩形，底宽14．0m，水平总长96．0m。其中事水工水力学方面的研究工作。E。mail：zhfx@SCU．edu．cn前段底坡坡比1：50，后段底坡坡比1：3。后段底板·115·人民黄河2016年第6期速仪对旋桨式流速仪在平直量水堰中进行了校正。试对阶梯段和消力池网格进行了加密，阶梯段网格最小验中测量了典型工况下溢洪道的流量、水面线、流速和尺寸为0．3m，最大尺寸为0．4m，节点总数为238539底板压强等。个，单元总数为209808个。2．2

8、数值计算方法2．2．1数学模型在工程紊流模拟方法中，标准k-e双方程模型得到了广泛应用。连续方程为塑+一Opui：0(1)aa．动量方程为图2溢洪道模拟计算结构at+ax=一箸ax+去ax[(+’(a％+ax)]2．2．3边界条件进口部分分为上部空气压力进口和下部水流速度(2)进口。水流速度由=Q／A计算得到，流量Q