基于冲击压强的挑流冲坑预测方法研究

摘要

目前，高坝的泄洪工程大多数采用挑流消能方式，为避免影响两岸边坡和坝身的稳定，需估算下游冲刷坑的深度与范围。正确预测基岩冲刷深度对高坝下游消能和防冲设计具有重要的意义。 本文在对冲坑内的水流特性进行分析的基础上，提出了基于冲击压强预测挑流冲刷深度的方法。通过水工模型试验与数值模拟相结合的研究手段，对冲刷深度和冲击压强及其分布系数之间的量化关系进行了解读。主要研究内容包括以下几个方面： 首先，引用冲击射流的研究成果，详细分析了冲坑内淹没冲击射流的扩散规律和挑射水流对底壁面冲击压强的规律，分析了基岩的冲刷破坏特性。在此基础上，提出基于冲击压强对冲刷深度进行预测的方法。 其次，建立适合模拟挑射水流的三维数值紊流模型，寻求高效、精确的计算方法。在验证了数学模型正确性的基础上，拟定计算方案并对不同工况下的冲击压强进行了系列的数值计算。计算结果可供模型试验参考。 最后，通过模型试验量测了每组冲击压强分布下形成的冲坑深度，选用了较适合于本试验的冲坑估算公式对试验结果进行了验证。在此基础上，对试验数据进行分析，建立基于冲击压强及其分布系数的冲刷深度估算公式。 本文所取得的研究成果可为冲刷问题的进一步研究提供参考。

目录

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第一章 绪论

1.1引言

1.2基岩冲刷研究状况

1.2.1基岩冲刷理论

1.2.2基岩冲刷的模拟手段

1.2.3基岩冲刷的数值模拟

1.3本文的研究内容

第二章基岩冲刷的基本理论

2.1冲坑内淹没射流的水流形态

2.2淹没射流扩散与流速衰减规律

2.2.1自由射流区和冲击区的扩散规律

2.2.2壁射流区的扩散规律

2.3冲击区底壁面上的压强特征

2.3.1冲击区的最大滞点压强

2.3.2冲击区的时均冲击压强

2.3.3冲击区的脉动压强

2.4基岩冲刷破坏特性分析

2.5小结

第三章 挑射水流的三维数值计算

3.1三维紊流数学模型的建立

3.1.1控制方程

3.1.2流体设定和自由水面确定

3.1.3网格生成和复杂边界处理

3.1.4边界条件与初始条件

3.1.5数值离散方法

3.2数值计算结果及分析

3.2.1水舌形态

3.2.2床面时均压强分布

3.3数值计算方法的验证

3.3.1工程概况

3.3.2计算结果与实测数据的对比

3.4小结

第四章 挑流消能冲刷深度的试验研究

4.1模型与仪器

4.2试验方案的制定

4.3试验结果及分析

4.4冲坑深度与冲击压强的关系

4.5冲坑深度与冲击压强分布系数的关系

4.6小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致 谢