青铜峡水库坝前淤积体水力冲刷的数值模拟

摘要

水库的泥沙淤积，使水库降低、直至完全失去其调节水量的性能，还危害着防洪、灌溉、发电、给水、航运、水产等各方面的利益，阻碍着工农业生产的发展，威胁着人民生命财产和安全。在黄河这样的多泥沙河流上，由于淤积发展迅速，问题就更为严重。黄河上的青铜峡水库运用40多年来，有效库容从原始的6.06亿m3减少到0.3918亿m3，库容已淤废达93.5％，成为只具有日调节性能的径流式电站。 针对淤积如此严重的现状，从1991年开始，青铜峡电站除了在洪水期降低水位排沙减淤外，还不失时机地在汛末集中放空水库进行排沙，扩大库容。通过这些年的运行，证明这一方式是有效的，是保证发电及防洪、灌溉安全的有力措施。本文应用数值模拟的方法对青铜峡水库水力冲沙期的坝前流场，冲刷区范围，以及冲刷漏斗的形态等问题进行了有意义的探讨和计算，主要研究内容和成果为： (1)建立了一个坝段内泄水管泄流的三维数学模型，计算不同闸前淤积情况下泄水管的泄流能力，得到了流量、流量系数与泥沙淤积坡面的关系，对闸前淤积对泄水管泄流能力的影响进行分析。 (2)建立平面二维模型，对泄水建筑物排沙时的坝前平面流场进行模拟计算，在流场计算的基础上确定坝前冲刷区范围，分析流场特性和冲刷规律，进而制定出较优的停机拉沙运行方案。 (3)建立冲刷漏斗的二维计算模型，在验证了数学模型正确性的基础上，计算漏斗的平均纵向坡度和漏斗长度，通过计算得到的漏斗纵剖面图分析冲刷漏斗的纵向形态特性，并通过不同工况的计算结果得到漏斗纵坡与孔前水深的关系。 (4)提出了冲刷漏斗的三维计算模型，计算漏斗的纵向坡度和横向坡度，对冲刷后的坝前水下地形，冲刷漏斗的纵、横剖面的特性等进行研究，数值计算的结果与实测数据具有较好的一致性。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2青铜峡水库概况及库区泥沙淤积现状

1.3国内外研究现状

1.3.1水库泥沙淤积的研究概况

1.3.2水库坝前冲刷漏斗的研究概况

1.3.3二、三维紊流数值模拟的研究概况

1.4本文的主要研究内容

第二章紊流数值模拟的理论与方法

2.1紊流模型理论

2.1.1紊流基本方程

2.1.2紊流基本模型

2.2网格及网格生成技术

2.3数值离散方法及其数值效应

2.3.1有限单元法（FEM）

2.3.2控制体积法(FVM)

2.3.3计算方法的数值效应

2.4压力校正法

2.4.1 SIMPLE算法

2.4.2 PISO算法

2.5边界条件及稳定性准则

2.5.1边界条件

2.5.2收敛判断准则

2.6自由水面处理技术

2.6.1刚盖假定

2.6.2 MAC法（Marker-And-Cell Method）

2.6.3 VOF法（Volume of Fluid Method）

2.7多相流模拟方法

2.7.1多相流模拟的基本理论与方法

2.7.2欧拉多相流模型

2.8本章小结

第三章坝前淤积对泄水管泄洪能力的影响

3.1概述

3.2模型及求解方法

3.2.1计算网格

3.2.2边界条件

3.2.3求解方法

3.3计算结果与分析

3.4本章小结

第四章水库坝前平面二维流场数值模拟及冲刷区域计算

4.1概述

4.2流场模拟计算的基本原理

4.3泥沙起动流速的计算

4.4模型建立及工况制定

4.4.1模型及边界条件

4.4.2计算工况

4.5数值模拟计算结果与分析

4.5.1平面二维流场数值模拟结果及冲刷区域判定

4.5.2停机拉沙运行方案

4.6本章小结

第五章水库坝前冲刷漏斗的数值模拟

5.1概述

5.2冲刷漏斗形态的量度方法

5.3水库坝前冲刷漏斗的二维数值模拟

5.3.1基本思想

5.3.2数学模型的验证

5.3.3泄水管前冲刷漏斗的二维数值模拟计算

5.4水库坝前冲刷漏斗的三维数值模拟

5.4.1数学模型的验证

5.4.2泄水管前冲刷漏斗的三维数值模拟计算

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1本文的主要结论

6.2研究展望

参考文献

硕士期间发表论文和参加科研情况

致谢