窄缝消能工的水力特性试验及数值模拟研究

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随着我国高坝建设的迅速发展,泄水建筑物的消能问题亦愈发突出。实践表明,窄缝消能工突破了常规等宽鼻坎消能工的传统模式,利用挑坎两侧侧墙的收缩使水流纵向扩散,加剧水流紊动使其充分掺气,提高了消能率,从而达到减轻下游河床冲刷的目的。目前,窄缝消能工已成功地应用在国内外高水头泄水建筑物中,成为一种高效的消能工。   然而,由于窄缝消能工水流的复杂性以及受来流及下游边界条件的影响,窄缝消能工的设计与运用尚没有较完善的分析方法及较统一的经验公式,仍主要依赖于水力学模型试验研究成果。近年来,随着计算机计算能力的提高,采用数值模拟来对窄缝消能工进行模拟研究己成为一种新的趋势,利用数值模拟计算和物理模型试验相结合的方法对窄缝消能工的水力特性及消能效果进行研究是今后研究的方向。   为了进一步探讨窄缝消能工的水力特性,在收集整理国内外关于窄缝消能研究成果的基础上,以水布垭1#泄槽为研究对象,采用物理模型试验与三维数值模拟相结合的研究方法进行了较为深入的研究。   物理模型采用1:100 单体水工模型,对三种不同来流工况下,采用不同收缩比窄缝形式的水力学特性进行了试验及对比分析,得出了有关收缩比与侧墙压力分布、水舌空中形态、下游河床冲刷等水力学特性的基本规律,论证了水布垭枢纽窄缝消能工体型参数选择的合理性,进一步丰富了窄缝消能工学术领域的研究成果。   数学模型采用了RNG 紊流模型,利用VOF 方法追踪自由表面,网格剖分采用? ? K了分块结构化网格及非结构网格相结合的方法,利用大型流体力学计算软件FLUENT 对水布垭1#泄槽进行了三维数值模拟,得到了水面线、压力及流速等水力参数的分布规律,并将数值模拟成果与物理模型试验成果进行了对比分析,其结果基本一致。   研究成果亦表明,采用本文研制的数学模型对水布垭枢纽窄缝消能工的水流特性进行数值模拟研究是可行的,其研究工作为用数学模型研究窄缝消能工的水力特性积累了一定的经验,为下一步深入开展窄缝消能工数值模拟研究打下了很好的基础。
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