高水头龙抬头泄洪洞掺气减蚀试验研究及数值模拟

摘要

该文首先通过试验研究,从掺气坎后空腔区的三维形态考虑,提出了一种新型V型槽式掺气坎(简称V型坎);其主要特点是:掺气坎后射流水舌沿垂直于水流方向的重力分布发生变化,即掺气坎后射流水舌的流速、挑角和高程,沿中心向两侧保持连续变化,其水舌落水点的范围即空腔长度,成为一连续变化的曲线,而且沿曲线处水流的流速也是连续变化的,从而减弱或消除了水流落水处由碰撞形成回水.通过对试验结果的比较和分析研究,在前人研究基础上,建立了预测V型坎掺气特性的数学模型,提出了有关底空腔长度、空腔负压、通气量的理论预测公式.为了对龙抬头明流泄洪洞水流流场特性进行全面深入的研究,该文还采用三维k-ε双方程紊流模型模拟了泄洪洞的紊流流场,并且采用非结构网格来处理复杂的边界形状,对自由水面,引入水-气两相分层流理论中的流体体积分数法(VOF)来迭代求解.通过模拟计算,得到泄洪洞内水面线、速度场、压力场和底空腔长度等水力参数,通过与实测结果对比分析,数值模拟结果与实测值吻合较好.文中在反弧末端设置了突缩和突跌掺气设施,在侧墙两边对称布置侧向折流器;试验结果表明,侧墙突缩比的范围宜为0.012~0.018,侧收缩坡度范围在1:40~1:20之间.加设侧向折流器后,侧墙水流的出射角增大,侧空腔畅通,并直接和底空腔相连,形成稳定的侧空腔和底空腔,更有助于掺气坎后水舌的全断面的掺气,对侧墙和底板皆起到了很好的保护作用.

目录

文摘

英文文摘

1概论

1.1掺气水流

1.2掺气减蚀的发展

1.3掺气减蚀的原理

1.4掺气减蚀设施

1.5掺气设施的水力特性

1.6紊流数值模拟的发展

1.7掺气水流数值模拟的研究现状

1.8掺气设施体型研究现状和存在的问题

1.9本文研究的方法和内容

2掺气减蚀试验研究

2.1模型试验装置

2.2试验内容

2.3掺气坎的选型优化—新型的V型槽式掺气坎

2.4不同掺气坎水力特性比较

2.5小结

3 V型坎水力特性研究

3.1掺气坎高度

3.2空腔长度

3.3掺气机理及射流挟气量

3.4空腔负压指数

3.5小结

4高水头龙抬头泄洪洞流场紊流数值模拟

4.1数值模拟的主要内容

4.2数值模拟方法

4.3网格划分及边界条件的设定

4.4数值求解算法

4.5流场数值模拟结果及其分析

4.6小结

5泄洪洞侧墙掺气减蚀初探

5.1反弧段下游侧墙空化空蚀机理

5.2反弧段下游侧墙防止空化空蚀试验研究

5.3反弧段下游侧墙掺气机理

5.4数值模拟

5.5反弧段下游侧墙防止空化空蚀措施

5.6小结

6结束语

参考文献

作者在读期间发表论文及参加科研项目的情况

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