洞塞消能特性数值模拟研究.pdf

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1、第35卷第1期浙江海洋学院学报穴自然科学版雪Ｖｏｌ．35Ｎｏ．1２０16年1月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｊｉａｎ浙江海洋学院学报ｇＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ穴自然科学版穴Ｎａｔｕｒａ雪ｌＳｃｉｅｎｃｅ雪Jan.熏２０第1635卷文章编号押１００８－８３０Ｘ穴２０16雪０1－0048－04洞塞消能特性数值模拟研究丁天明，张敏，艾万政（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山316022）摘要：洞塞消能工作为一种新型的内消能工形式，已引起了国内外很多人的关注。本文运用数值模拟方法对这种形式消能工的消能特性进行了精确模拟。研究结果表明，洞塞回

2、流区是能量损失的源地。洞塞能量损失系数主要受到孔径比的影响。随着孔径比的增加，能量损失系数逐步减小，回流区长度减小。关键词：洞塞；数值模拟；能量损失系数；模型；孔径比中图分类号：TV135文献标识码：AResearchonPlugHydraulicCharacteristicsDINGTian-ming,ZHANGMin,AIWan-zheng(MaritimeandCivilEngineeringSchoolofZhejiangOceanUniversity,Zhoushan316022,China)Abstract:Inthepresen

3、tpaper,thehydrauliccharacteristicsofplugareresearched.Itcouldbeconclud－edthattheenergylosscoefficientismainlydominatedbythecontractionratiooftheplug.Thelessthecon－tractionratiooftheplugis,thelargeristhecoefficient.Theresearchresultsdemonstratethattheeffectsof5Reynoldsnumber

4、couldbeneglectedwhenthisnumberislargerthan10;andplug’sthicknesshashardlyim－pactonitsenergyloss.Keywords:plug;simulation;energyloss;model;contractionratio洞塞式消能工是利用水流在有压泄洪洞内的突阔突缩而产生的旋滚、摩擦来达到消能的目的。在国外，美国的格伦峡坝（GlenCanyon）临时泄水孔和加拿大麦加坝（Mica）最早采用了这种消能方式[1]。在国内，目前尚无工程应用实例。但是作为一种相对新

5、型的消能工，由于其泄洪时具有流态稳定、结构简单、水流参数易于控制等特点，已开始受到国内很多人的关注。洞塞的水流流态如图1。国内外针对洞塞的水力学特性开展了大量的研究，图1消能洞塞取得了丰硕的成果[2-4]。虽然洞塞方面的研究较多，但是，洞塞水力学特性的研究Fig.1Plugdischargetunnel还有不太完善的地方，如洞塞水流的恢复特性、紊动能耗散特性以及水流流态特性等等。因此，有必要加强这方面的研究，以便进一步认识洞塞的水力学特性，为洞塞设计奠定基础。本文的主要目的，就是运用数值模拟的途径，针对洞塞研究的一些盲区问题开展研究，以便进一

6、步揭示洞塞水收稿日期：2015-08-20作者简介：丁天明（1968-），男，副教授，浙江诸暨人，研究方向：交通工程.第1期丁天明等：洞塞消能特性数值模拟研究49力学特性。1理论分析洞塞消能的机理是利用水流在洞塞前的突缩和洞塞后的突阔引起水流的急剧变化，在水体间产生的强烈剪切、旋滚、摩擦来达到消能的目的。在图1中取断面1-1和断面2-2。其中断面1-1是洞塞前水流未扰动断面；断面2-2是孔板后水流恢复断面。在断面1-1和断面2-2之间列能量方程可以得到：222p1up2uluz1++a1=z2++a2+!孜+姿"（1）籽g2g籽g2g4R2g

7、式中：p1和p2分别是断面1-1和断面2-2上的平均压强；a1和a2分别为断面1-1和断面2-2上的动能校正系数；z1和z2分别为断面1-1和断面2-2水头距基准面的距离；u为泄洪洞内的平均流速；姿l/4R为沿程水头损失系数；孜为洞塞局部能量损失系数。如果以泄洪洞轴心水平面为基准面，且忽略沿程损失，考虑到动能校正系数a1和a2差别较小，近似认为它们二者相等。利用量纲分析方法可以定义单级洞塞能量损失系数[5-6]：2孜=驻H/(v0/2g)=f(Re,d/D)（2）2计算模型本文研究的是紊流状态下的洞塞消能问题，考虑雷诺平均假定，选用时均化的控

8、制方程。已有研究选用k-着湍流模型，取得了较好的结果。由于在洞塞附近流线弯曲较为厉害，选用RNGk-着能很好的反应流线变化情况,因此本文采用RNGk-着模型，恒定流