切角形台阶溢洪道水力特性的三维数值模拟——以鱼背山水库为例

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本文以重庆鱼背山水库岸边台阶式溢洪道工程为研究对象,对原溢洪道台阶凸角分别作30°、45°和60°切角处理,在三种不同流量工况下,建立了四种不同体形(方角和切角)的台阶式溢洪道三维模型。应用GAMBIT软件进行网格化划分,及FLUENT软件进行三维数值模拟计算,最后利用TECPLOT等软件进行后处理和分析对比。得到了4种体形在水面线、速度场、压强场、紊动能和紊动耗散率以及消能率等计算结果,并对4种体形的计算结果进行了对比,分析了它们之间的差异及优劣,对台阶溢洪道未来关于切角方面的研究提供了一定的参考价值。其具体研究结论如下:  1.台阶式溢洪道切去凸角之后对台阶段的流态、水面线有一定影响,但对溢洪道上游的缓坡段和下游消力池段水流的水面线基本无明显影响。水面线随着流量的增加,溢洪道上游的缓坡段、台阶段和下游消力池段的自由水面线都相应抬高。  2.传统台阶溢洪道中台阶内的漩涡范围比切角形台阶溢洪道的漩涡要大,台阶竖直面上的切角越大,台阶在水平和竖直方向的漩涡就越大。台阶内漩涡的旋转速度随流量Q的增加有所增大,漩涡外滑行水流的速度也随着流量Q的增大逐渐变大。  3.四种体形在台阶的水平面上都呈现正压,最大正压出现在水舌冲击点区域,但压强沿台阶水平面分布不均,等压线以台阶水平面出现最大值为中心向周围扩散而减弱。而在台阶竖直面上,原体形中负压出现的区域约占竖直台阶的1/3高度,其他三种体形由于凸角部分被切除,负压基本上都集中出现在斜切面上,而竖直面除靠近切角外都是正压。  4.随单宽流量的增大,消能率减小。原体形的消能率大于切角后体形的消能率,随着切角度数的增大,消能率稍有减小的趋势。  5.对于台阶式溢洪道采用的扩散形式,切除凸角的台阶体形在台阶竖直和水平面上的漩涡比传统台阶小,漩涡外滑行水流的速度大小变化规律都是对称面处流速最大,1/2宽处次之,边墙处流速最小。传统台阶体形在台阶竖直面上的负压区域大小为对称面处最大,边墙处最小,切除凸角的台阶体形在切角处的负压区域大小为对称面处最大,边墙处最小,最后一级台阶的竖直面上都没有负压,水平面上的正压区域则是先增大后减小,即1/2宽处正压区域最大。
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