表、底孔联合泄洪消能的三维流场数值模拟研究

摘要

底流消能作为一种基本的消能形式，在国内外水利工程中的应用十分广泛。底流式泄洪设施的布置与设计，直接影响消力池的水流流态与消能效率，更与下游河床的局部冲刷密切相关。因此，对底流消能式泄水建筑物体型与布置方案的优化研究，对保证工程大坝安全泄洪具有十分重要的意义。
　　本文基于标准k-ε湍流模型、VOF自由表面捕捉技术，结合某大型水电站表、底孔泄洪设施的物理模型试验，对其三维流场原设计方案2000年一遇校核洪水标准、500年一遇设计洪水标准、50年一遇设计洪水标准和10年一遇设计洪水标准共4种工况进行数值模拟研究，获得了表孔溢流坝面，底孔泄洪洞及消力池内水流流速，水面线，压力等水力特性，并与水工模型试验结果进行了对比分析。研究发现原设计方案消力池内水流波动大，流场紊乱，出池水流二次跌落大且主流下潜，横向扩散不充分。在相应的物理模型上，下游河槽发生了严重的冲刷，冲刷最严重的右岸坡及表孔左导墙下游，恰好是右岸主流贴岸及左岸回流压迫区。本研究进一步通过改进消力池体型，保留底孔与表孔消力池间施工导流墙等措施，对优化方案500年一遇设计洪水标准、50年一遇设计洪水标准、10年一遇设计洪水标准和2年一遇设计洪水标准4种工况进行模拟，计算发现：优化方案显著改善了消力池及出池水流流态，出池水流二次跌落减小，下潜程度大为减弱，出池主流水平扩散较为充分，横向挤压等得到充分的抑制。相应地物理模型上河床冲刷的范围及深度均大为减小，特别是原设计方案底孔侧对应右岸区域几乎没有发生冲刷。
　　研究表明，采用数学模型的方法可以很好地对泄水建筑物过流情况进行模拟，利用模拟计算获得的详尽流场信息，通过分析消力池流态、流速、压强及水面线等流场特性，在局部冲刷模拟还很不成熟的情况下，可以将泄水建筑物流场水力特性与下游河道冲刷相关联，综合考虑流场与下游冲刷的特性，评价消能工设计参数的合理性，进而优化泄水建筑物的体型与布置。

目录

声明

主要符号表

1绪论

1.1本文研究的背景和意义

1.2本文主要研究内容和技术路线

2.1 工程简介及模型建立

2.2计算区域网格划分

2.3数学模型选择

2.4初始边界条件

2.5模拟工况

2.6本章小结

3单体模拟及验证

3.1泄洪表孔、冲砂底孔单体模拟

3.2泄水建筑物整体模拟

3.3本章小结

4.1原设计方案体型

4.2泄流量对比

4.3水流流态

4.4流速分布

4.5压力

4.6水面线

4.7本章小结

5优化方案模拟结果分析

5.1优化方案体型

5.2泄流量

5.3水流流态

5.4流速

5.5压力

5.6水面线

5.7优化方案总结与冲刷性能评估

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献