有坎式台阶溢流坝水力特性研究

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本文建立了有坎式台阶溢流坝模型,采用结构和非结构网格相结合方式对计算区域进行网格划分,并通过RNGk-ε双方程紊流模型与VOF模型相结合的方法,对有坎式台阶溢流坝各体形进行数值模拟,并与传统台阶的水面线、台阶掺气、速度场、压强场、紊动能、紊动耗散率以及消能率等方面进行了比较。研究结果表明:  1、在溢流坝等高台阶段水平台阶末端设置矩形坎后,对其水深产生一定的影响。当下泻单宽流量相同时,随着坎高Hk的增加,台阶段水深与不设坎情况相比增加约1倍坎高。堰顶曲线段和过渡台阶段水深与等高台阶段是否设坎无关。  2、非掺气斜面长度 Li随着单宽流量q的增加而增加,随坎高 Hk的增加而减小;台阶内掺气浓度随单宽流量增加而减小,随着坎高Hk的增加而增加。  3、随着坎高Hk增加,台阶内漩涡尺寸增大,漩涡速度增加;坎高Hk对假想底层以外水流无明显影响;随坎高Hk增加,台阶段各断面平均流速沿程先增大后趋于稳定,且单宽流量越小越早趋于稳定。  4、各台阶水平面上的压强随着单宽流量的增加而增大,最大压强在距台阶垂直面6/7倍台阶水平面长处,最小压强出现在台阶凸角处;随着单宽流量的增加,台阶垂直面上最大负压的绝对值增大,出现在距坎顶10cm左右;随着坎高 Hk增加,台阶垂直面的负压区向坎顶部移动,且负压范围和最大负压随之减小。台阶水平面的最大压强随坎高Hk增加而减小。  5、溢流坝坝面紊动能k和紊动耗散率ε沿程先增大后趋于稳定,且单宽流量越小就越早趋于稳定。当单宽流量较小时,坎高Hk增加消能率减小。反之,单宽流量大时,大坎高Hk消能率有增加趋势;但坎高与单宽流量对消能率的影响存在一个最优组合,如当单宽流量为20 m2/s时,在四种体形中坎高Hk=10cm时,消能率最大。当单宽流量为30 m2/s时,坎高Hk=30cm消能率最大。但是,坎对消能率的影响很小,不超过消能率的1%。
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