不同闸门开度下突扩突跌段水力特性的数值模拟研究

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对于泄水建筑物而言,高速水流下泄过程中建筑物表面产生的空化空蚀问题一直是水工建筑物运行过程中面临的难题之一。通过向水流掺气减蚀是目前工程中最常用的措施之一。突扩突跌体型可以同时有效解决水流掺气和高水头闸门止水的问题,由于不同的运行要求,闸门在局开工况下运行是极其常见的情况。随着运行工况的改变,水流的水力特性也产生很大的变化,可能会对建筑物的运行造成不利的影响,甚至引起建筑物的损坏。因此了解闸门局开和启闭工况下水流水力特性的变化规律,对于选择合适的运行方式,防止产生激流振动,空化空蚀等不利现象,确保建筑物的安全运行有着至关重要的意义。  本文在总结前人的基础上,结合九甸峡水利枢纽左岸溢洪洞模型采用三维数值模拟的方法对突扩突跌体型下不同闸门开度时产生的水气两相流进行了整体的数值模拟计算,获得了多种工况下不同闸门开度时其水流的精确流场信息,通过分析得到水流底、侧空腔特性,流速特性,压力特性等水力要素随闸门开度的变化规律;通过对闸门启闭过程的二维数值模拟得到了启闭过程中水流的变化规律,主要的研究内容和成果有:  (1)通过合理的网格划分和参数设置,对典型工况的计算结果与实验对比分析,充分验证了模型的准确性和计算参数的合理性;成功得到了闸门开度为1.0、0.75、0.5、0.4和0.3五种局开工况下其水流特性。  (2)对空腔特性的分析可知,底空腔和侧空腔长度的变化都是随闸门开度增加而先减小而后增大,其中开度为0.75时为其长度变化的一个拐点,底空腔和侧空腔在所有的工况中都能相互贯通形成稳定的供气通道;对其水翅特性的分析可知,水翅形成的主因是水流流速大小与水流与壁面的冲击夹角共同作用产生的,且后者是决定水翅大小的主因。从水流形态角度来看闸门开度为0.75是流态最为恶化的闸门开度。  (3)通过对不同工况的水力要素分析得出,其流量特征为:当闸门开度小于0.75时呈现出近似线性变化,开度大于0.75时呈现非线性变化;底板和侧墙的压力分析可知,在各种工况下没有出现明显的负压现象,也说明了改体型设计上是十分合理的。  (4)通过对典型断面和侧墙近壁流速矢量分析得出其流速特征,结合其矢量分布获得空腔区域内空气流动的线路图,能更加直观的了解空腔内的供气模式。  (5)通过采用动网格技术成功模拟出闸门启闭过程其水力特性的变化,分析其开启和闭合过程中水流的滞后现象,为确定闸门合理的启闭时间提供了一定的参考依据。
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