双摆渡闸站工程水力特性数值模拟与模型试验研究

摘要

双摆渡闸站工程位于安徽省马鞍山市扁担河入长江口处，兼具抽排和自排功能，采用立面分层、平面不对称闸站结合布置型式，前池水流流态复杂，易引起泵装置效率降低、自排过流能力下降和形成泥沙淤积。本文采用数值模拟和模型试验相结合的方法对双摆渡闸站工程水力特性进行综合分析研究，并提出优化方案。本文主要研究内容如下:
　　(1)借助计算流体力学(CFD)软件，采用N-S方程和标准k-ε湍流模型对原设计方案进行数值模拟。数值计算结果表明，该工程多工况条件下前池存在斜流和泥沙淤积的问题，进水流道存在流速分布不均匀的问题。因此，原设计方案存在不足，需要对其进行改进优化。
　　(2)针对原设计方案存在的不足，采用导流墩对其进行改进优化。对加设20m、25m、30m和35m等4种长度的导流墩方案进行数值模拟研究，以压迫主流的涡面积大小为控制条件对导流墩长度进行优化分析，得出了前池导流墩的合理长度范围。结果表明，合理长度导流墩能够改善前池水流流态和进水流道流速分布，增强水流携沙能力，满足整流需求。
　　(3)根据水工模型试验规程，按照重力相似准则选定1∶25作为模型试验比尺，按照糙率相似准则选用透明有机玻璃板及PVC灰板作为模型材料，采用正态模型对原设计方案典型工况下前池水流流态进行试验研究，绘制了流态图和流速分布图。结果表明，该工程多工况条件下前池存在斜流和泥沙淤积的问题，与数值模拟结果一致。
　　(4)选取20m和28m长导流墩作为典型代表进行分析，采用模型试验方法对数值模拟得出的导流墩合理长度范围进行验证。结果表明，与原设计方案相比，采用合理长度导流墩后，前池水流流态明显改善，水流携沙能力明显增强;数值模拟得出的导流墩合理长度范围在25m～30m之间是可靠的。
　　(5)采用模型试验方法对该工程下游消能防冲能力进行了研究，绘制了下游水面线示意图。根据水流波动情况，得出了下游消能防冲设施布置基本合理的结论。
　　本文开展的双摆渡闸站工程水力特性数值模拟和模型试验的最终结果是一致的。数值模拟结果有效地指导了模型试验研究，节约了模型试验的投资，提高了研究效率。同时，模型试验验证了数值模拟的准确性。本文的研究方法和成果能够为双摆渡闸站工程的设计和运行管理提供改进措施和建议，对保证该工程安全、高效和稳定运行有着重要意义。而且，也能够为同类闸站工程的设计、运行管理和研究提供一定的参考价值。

目录

摘要

主要符号说明

1 绪论

1．1 研究目的和意义

1．2 闸站工程数值模拟研究现状

1．3 闸站工程模型试验研究现状

1．4 本文主要研究内容和思路

2 前池和进水流道水力特性数值模拟研究

2．1 CFD及相关软件简介

2．2 数值模拟模型及计算方法

2．2．1 计算区域

2．2．1 控制方程

2．2．2 几何建模

2．2．3 边界条件

2．2．4 网格划分

2．3 数值模拟结果分析

2．3．1 前池和进水流道的三维流场

2．3．2 三维流场特征剖面的选取

2．3．3 前池和进水流道流速分布分析

2．4 数值模拟工况

2．5 自排设计工况数值模拟结果分析

2．6 抽排设计工况数值模拟结果分析

2．6．1 抽排设计工况一

2．6．2 抽排设计工况二

2．6．3 抽排设计工况三

2．6．4 抽排设计工况四

2．6．5 抽排设计工况五

2．7 本章小结

3 前池和进水流道水力特性优化数值模拟研究

3．1 水力特性优化方案

3．2 数值模拟优化工况

3．3 优化方案一数值模拟结果分析

3．3．1 自排优化工况

3．3．2 抽排二优化工况

3．3．3 抽排五优化工况

3．4 优化方案二数值模拟结果分析

3．4．1 自排优化工况

3．4．2 抽排二优化工况

3．4．3 抽排五优化工况

3．5 优化方案三数值模拟结果分析

3．5．1 自排优化工况

3．5．2 抽排二优化工况

3．5．3 抽排五优化工况

3．6 优化方案四数值模拟结果分析

3．6．1 自排优化工况

3．6．2 抽排二优化工况

3．6．3 抽排五优化工况

3．7 导流墩长度优化分析

3．7．1 前池面层压迫主流的涡面积与导流墩长度关系

3．7．2 前池底层压迫主流的涡面积与导流墩长度关系

3．7．3 优化分析结果

3．8 本章小结

4 前池水力特性模型试验研究

4．1 模型设计与制作

4．1．1 试验范围

4．1．2 相似准则

4．1．3 模型材料及布置

4．1．4 模型制作

4．2 模型试验方法及内容

4．2．1 模型试验方法

4．2．2 模型试验内容

4．3 模型试验工况

4．5 自排设计工况试验结果分析

4．6 抽排设计工况试验结果分析

4．6．1 抽排设计工况一

4．6．2 抽排设计工况二

4．6．3 抽排设计工况三

4．6．4 抽排设计工况四

4．6．5 抽排设计工况五

4．7 本章小结

5 前池水力特性优化模型试验研究

5．1 水力特性优化方案

5．2 模型试验优化工况

5．3．1 自排优化工况

5．3．2 抽排二优化工况

5．3．3 抽排五优化工况

5．4 本章小结

6 出水涵防洪闸下游消能防冲试验研究

6．1 自排设计工况下游消能防冲分析

6．2 抽排最低运行水位工况下游消能防冲分析

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

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