坪山水库泄洪洞水工模型试验及三维数值模拟

摘要

随着我国社会主义现代化建设进入新时代，加速重点水利工程建设，充分发挥水利建设经济支撑功能和生态环境效应依然十分重要。在水利水电工程建设中，高水头泄水建筑物的体型优化、泄流能力、掺气减蚀等问题依然十分突出，因此，对高水头泄水建筑物体型和水力特性的研究依然十分必要。 本论文以纳雍县坪山水库泄洪洞为研究目标，通过建立泄洪洞的水工模型及放水观测试验，对原设计方案进口边墩体型进行了修改完善，并提出了基本方案。在此基础上，结合FLUENT计算软件，对泄洪洞基本方案的泄流能力、体型优化、掺气减蚀等问题进行了深入的试验研究和数值模拟分析，主要研究内容及成果如下： （1）观测了原方案不同频率洪水及弧门开度时泄洪洞各部位流态、沿程水面线及流速分布；发现了进口边墩两侧绕流明显，溢流堰面水流不稳等问题。通过对边墩上延和体型进行修改，使泄洪洞进口和溢流堰面上流态得到了较大改善。 （2）通过对基本方案泄槽段断面掺气水深、流速、及空化数进行分析发现，泄洪洞0+454m断面的平均流速为28m/s，已属于高速水流，其水流空化数为0.30左右，说明陡槽下段需要增设掺气设施。经过不同掺气槽坎组合方案的比选，确定了掺气设施的合理位置和体型。经放水试验观测，增加掺气设施后，下泄水流平稳顺畅，并形成稳定的掺气空腔，掺气减蚀效果良好。 （3）根据泄洪洞消能区地形和基本方案放水试验结果，将原设计方案出口消能工由底弧挑流鼻坎调整为窄缝挑流鼻坎。放水试验表明，采用推荐的单侧贴角导向窄缝挑流鼻坎，可使水舌纵向充分拉开，落点集中于河槽中心，避免了水舌砸岸现象。 （4）通过对泄洪洞三维数值模拟，得到了泄洪洞泄流能力、流态、沿程水面线、压力分布及流速分布等水力特性。经与模型试验的实测值对比分析发现，泄洪洞溢流堰面流态和压力分布、沿程水面线、压力分布及典型断面流速分布均符合良好，说明本次采用的数值模拟方法是合理可行的。 （5）根据模型试验和数值模拟结果，分析验证了泄洪洞泄流能力满足设计要求，给出了溢流堰面及泄洪洞不同部位的合理体型及布置形式。

目录

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第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

1.2研究方法

1.3国内外的研究现状

1.4本文主要的工作及内容

第二章 坪山水库工程泄洪洞水工模型试验

2.1工程概况

2.2模型试验的目的和内容

2.3试验基本资料

2.4模型的设计与制作

2.5试验结果

2.6试验结论和建议

第三章 计算流体动力学简介及应用

3.1计算流体动力学概述

3.2控制方程的离散

3.3 SIMPLE算法

3.4 k-ε两方程模型

3.5边界条件

3.6自由水面的处理

3.7 FLUENT软件介绍

3.8本章小结

第四章 坪山水库泄洪洞断面的数值模拟及结果分析

4.1三维建模

4.2网格划分及计算

4.3计算结果对比分析

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望及建议

参考文献

致谢

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