积石峡中孔泄洪洞工作门槽体型优化研究

摘要

目前，空化研究使得门后有压的门槽体型的设计研究已尽完善，但对于门后为明流的门槽体型，其水力特性较门后有压的门槽体型的水力特性复杂的多，且没有规范可寻。 积石峡水电站位于青海省循化县境内积石峡出口处，是黄河上游干流“龙青段梯级规划”的第五个大型梯级电站。其中孔泄洪洞两道平面闸门平行布置，上游侧闸门为事故闸门，下游侧闸门为工作闸门。按照枢纽总体布置，积石峡水电站泄水中孔采用常规门槽，工作闸门有局部开启要求，水流条件相当复杂，门槽的空化空蚀问题十分突出。因此，必须探究门槽体型与门槽空蚀的关系，提出合理的门槽体型，以确保工程运行安全势在必行。 本文运用了水工模型试验和数值模拟方法，结合理论分析，对门槽周围的流态、压力分布进行了系统的研究，并对其体型进行了优化，主要研究内容包括以下几个方面： 首先，通过水工模型试验，对门槽体型的折流坎、门槽后压板、错距、圆角以及下游斜坡坡度进行了修改优化，得到了初步的优化方案，各测点压强值得到了显著的改善和提高，并使水流流态更趋于平缓。 其次，建立反映工程问题本质的数学模型，寻求高效、精确的计算方法。文中对数值计算方法做了简要的综述，根据自由液面的形状，将自由液面分为相对稳定的自由液面和起伏较大的自由液面。对含有相对稳定的和起伏较大的自由水面的水流问题进行了相应的处理，给出了流动的控制方程，利用刚盖假定法和VOF法分别对相对稳定的自由水面和起伏较大的自由水面进行了处理，通过不断修改控制参数，得到与模型试验数据基本一致的计算结果。证明本文采用的数值方法计算结果可靠，可用于门槽体型的优化。 最后，应用该数学模型及算法，针对不同的工作门槽体型参数进行了系列的计算，并定义了一个压力系数。研究了门槽宽深比、错距比、圆角比及门槽下游斜坡等参数变化引起的压力系数的变化规律，为门后为无压的门槽体型设计提供可靠的分析依据。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1选题意义

1.2空化和空蚀机理

1.2.1空化的特点

1.2.2闸门槽的空化类型

1.3门槽空化空蚀研究回顾

1.4本课题的研究方法

1.5本文研究内容

第二章 门槽体型的模型试验研究

2.1工程概况

2.2模型设计

2.3原门槽体型方案的模型试验

2.3.1流态

2.3.2压力分布

2.4门槽体型优化的试验研究

2.5小结

2.5.1流态

2.5.2压力分布

第三章 三维紊流数学模型的建立

3.1紊流的基本方程

3.1.1紊流连续方程

3.1.2紊流运动方程—雷诺方程

3.2紊流数学模型

3.2.1直接数值模拟

3.2.2大涡模拟

3.2.3 Reynolds时均法

3.3网格生成技术

3.4控制方程的离散方法

3.4.1有限差分法(FDM)

3.4.2有限单元法(FEM)

3.4.3有限体积法(FVM)

3.5自由液面处理方法

3.5.1刚盖假定法

3.5.2高度函数法

3.5.3标记网格法

3.5.4体积分数法

3.6数学模型的验证计算

3.6.1计算方法的选取

3.6.2计算结果的验证

3.7小结

第四章 门槽体型的数值模拟研究

4.1工作门后压板的优化

4.2宽深比的优化

4.3错距的优化

4.4圆角的优化

4.5下游斜坡坡度的优化

4.6小结

第五章 非常规门槽的演算

5.1倒Ω型窄缝门槽体型的演算

5.2椭圆错距门槽体型的演算

5.3小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

硕士其间发表论文及科研情况

致谢