不同倒悬角对琴键堰泄流能力影响的数值模拟研究

摘要

琴键堰（Piano Key Weirs）是一种新型的迷宫堰。它和迷宫堰一样，相较于传统的直线堰，增加了溢流前缘的长度，提高了泄流能力；相较于传统的迷宫堰，它将溢流前缘向上下游倒悬，在相同的溢流前缘长度下，减小了基座面积，克服了迷宫堰基座大的缺点，可以广泛运用于新建的混凝土重力坝上和已建工程的扩容改建上面。琴键堰泄流流态复杂，体型参数较多，因此对其体型参数研究具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　琴键堰进出口宫室倒悬角的大小是影响其泄流能力的一个重要参数，本文采用三维湍流数学模型，结合VOF自由表面追踪法，研究了琴键堰上下游倒悬角度对琴键堰泄流能力大小的影响。首先在实验水槽内对一个体型方案琴键堰的泄流流态和泄流能力进行了实验研究，通过于数值模拟的结果对比，发现二者结果吻合的很好，验证了数学模型。本文设计了5种不同的堰型，他们除了倒悬角不同外，其他的参数都相同。通过对这五种体型的琴键堰进行数值模拟，分析了他们泄流量随堰上水头增高变化，发现随着堰上水头的增加，泄流量在不断的增加，且倒悬角度较大的琴键堰泄流能力更强，而后把琴键堰的泄流分为侧面溢流，出口溢流和入口溢流，通过对三个溢流前缘泄流能力的分析发现，琴键堰泄流能力的大小，主要取决去由于侧面的溢流量的增加。
　　如果琴键堰的倒悬角进一步变大，超过了一个临界值，琴键堰就越来越变为一个传统意义上的迷宫堰。为了进一步的研究倒悬角对琴键堰泄流能力的影响，增加了3种超过倒悬角临界值的琴键堰体型，同样的，为了便于比较，其他参数仍保持不变。模拟计算表明，这三种体型在琴键堰泄流泄流曲线基本重合，而与前种体型相比泄流能力方面表现出的规律不尽相同，在低水头时（H＜48mm），此三种琴键堰泄流能力比前五组体型强，而高水头时（H＞48mm）则恰好相反，就总体来说，较前面五种体型，后三种琴键堰体型泄流能力显著增加。
　　由于琴键堰通常都会安装在大坝上。所以为了讨论库深对琴键堰泄流能力的影响，在之前模型的基础上，增加了4组不同库深的琴键堰模型，其他参数保持不变。模拟计算发现，随着库深的增加，泄流量是逐渐减小的，其原因可能与薄壁堰类似，是由于水流收缩增加，H/P减小，导致泄流系数减小。

目录

声明

主要符号表

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2琴键堰的研究进展

1.3泄水建筑物数值模拟的研究进展

1.4研究内容与研究目标

1.5本章小结

2紊流模型理论

2.1紊流运动的基本方程

2.2紊流数值模拟方法

2.3紊流模型分类

2.4数值离散方法

2.5自由表面模拟方法

3模型验证

3.1琴键堰模型试验

3.2琴键堰数值模型的建立

3.3数值模拟与模型试验结果分析

3.4本章小结

4琴键堰典型倒悬比方案泄流能力分析

4.1模拟工况与体型

4.2计算结果分析

4.3 本章小结

5琴键堰过渡倒悬比方案泄流能力分析

5.1模拟工况与体型

5.2计算结果分析

5.3本章小结

6不同库深对泄流能力的分析

6.1模拟工况与体型

6.2计算结果

6.3本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献