窄长形衔接池中消浪板的水力特性及型式优化研究

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由于水资源供需矛盾的日益增长和供水体系现代化的建设需要,输水工程的运行安全倍受重视。窄长形衔接池是分段低压输水系统常用的衔接建筑物,其水体受上游有压段水流冲击,产生强烈的掺混和紊动,引起的涌浪可能导致下游产生明满流交替、振动冲击等水力危害现象。消浪板作为稳水的有效设施,在输水工程中已得到应用,但其水力特性较为复杂,相关的研究仍较少。本文通过模型试验和数值模拟研究了窄长形衔接池中消浪板的水力特性,提出基于模糊理论的综合性能评价方法,并基于GA-BP神经网络进行寻优研究。主要研究成果如下:(1)建立窄长形衔接池中消浪板的物理模型,通过无量纲法对过流特性、稳水系数、频谱特征、能量耗散率等参数进行研究。结果表明:消浪板发挥作用的机理为阻碍和限制水流的垂向和纵向运动;稳水效果整体随开孔率的增大而减弱,随倾斜角度绝对值的增大而先增强后减弱;水平布置时,稳水效果随浸水深度的增大而减弱;倾斜布置时,稳水效果随浸水深度的增大而先增强后减弱;贯穿水面布置时,稳水效果随浸水面积的增大而增强并趋于定值;消浪板主要耗散波浪频率为2Hz-6Hz的波浪能量,负角度比正角度引起的非线性作用更强;能量耗散率随浸水深度、倾斜角度和开孔率的变化趋势与稳水系数的变化趋势相近。(2)建立窄长形衔接池中消浪板的三维数值计算模型,研究发现稳水系数St、能量耗散率Mt的数值模拟结果与模型试验的变化规律相符,最大相对误差σmax均在10%以内,验证了数值模拟的准确性和可靠性;数值模拟得到的水流流态和模型试验得到的观测结果整体相似。(3)提出基于模糊综合评价法的窄长形衔接池中消浪板综合性能评价方法,发现原方案综合性能评价参数最大时,开孔率Ф=0.0%、无量纲浸水深度ds/d=0.44、倾斜角度θ=-30°。在此基础上,建立窄长形衔接池中消浪板型式寻优的GA-BP神经网络模型,寻优得到最优型式为开孔率Ф=0%、无量纲浸水深度ds/d=0.774、倾斜角度θ=41.1°,相比于原方案综合性能评价最好的消浪板,其稳水系数St、能量耗散率Mt、综合性能评价参数ηk分别提高3.74%、3.01%、2.56%;板前水面明显壅高、产生反复的竖轴漩涡,并在板前后位置均产生回流区;波浪能量谱中谱峰位置相比寻优前向低频位置移动,且未产生次峰。
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