溢洪道差动式挑流鼻坎消能研究.pdf
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1、咱收稿日期暂 2023-04-25咱作者简介暂 韩雷渊1974-冤袁男袁黑龙江宁安人袁高级工程师袁研究方向为水力学尧生态水利工程学遥赵兴龙渊2000-冤袁男袁河南濮阳人袁硕士生袁研究方向为水利水电工程遥咱文章编号暂 1009-2846 渊2023冤 09-0001-07第 09 期渊总第 496 期冤吉林水利圆园圆3 年 09 月溢洪道差动式挑流鼻坎消能研究韩雷1袁2袁 赵兴龙2渊1.黑龙江省水利科学研究院袁黑龙江哈尔滨150080曰2.黑龙江大学 水利电力学院袁黑龙江哈尔滨150080冤咱摘要暂 差动式挑流鼻坎因挑射出的水流上下分流袁 在垂直方向上存在较大的扩散袁 挑射水舌宽度增加幅度较大袁
2、 消能效果明显袁 广泛应用于实际工程中遥 但是目前袁 在实际工程中针对差动式挑流鼻坎选取齿槽宽度的大小对消能效果的影响研究尚少遥 通过 FLUENT 流体计算软件袁 采用 RNG k-着 模型并耦合 VOF 模型袁 建立挑流鼻坎数学模型袁 探究差动式挑流鼻坎齿槽宽度对消能效果的影响遥 结果表明院 选取齿槽宽度为 5m 时袁 水流流态较好尧 水舌挑距远离水工建筑物尧 下游断面最大速度和下游断面平均流速偏小尧 下游河道底部压强较小袁 满足工程需求曰 随着差动式挑流鼻坎齿槽宽度的缩小袁 下游河道水流流态更加紊乱袁 外缘挑距和水舌宽度增大袁內缘挑距缩小曰 齿槽宽度的变化与下游河道断面最大流速尧 平均流
3、速尧 下游河道底部压强并无明显关系遥 研究结果可为今后类似工程中差动式挑流鼻坎的宽度选取提供参考遥咱关键词暂 挑流消能曰 差动式挑坎曰 齿槽宽度曰 消能效果咱中图分类号暂 TV 651.1咱文献标识码暂 BResearch on energy dissipation of spillway differential pick nose sillHan Lei员袁圆袁Zhao Xinglong圆渊员援College of Water Resources and Electric Power袁Heilongjiang University袁Harbin150080袁China冤Abstract院T
4、he differential nozzle is widely used in practical engineering because the water discharged from thenozzle is divided up and down袁and there is a large diffusion in the vertical direction.The width of the nozzleincreases greatly袁and the energy dissipation effect is obvious.However袁there are few studi
5、es on the influence ofthe width of the selected tooth slot on the energy dissipation effect of the differential nose riser in practical en鄄gineering.By using the fluid computing software FLUENT袁RNG k-着 model coupled with the VOF model袁themathematical model of the pick nose sills was established to e
6、xplore the influence of the width of the teeth ofthe differential pick nose sills on the energy dissipation effect.The results show that院When the groove width is5m袁the water flow pattern is good袁the tongue is far away from the hydraulic structure袁the maximum and aver鄄age velocity of the downstream s
7、ection are small袁and the pressure at the bottom of the downstream river issmall袁which can meet the engineering requirements.With the reduction of the width of the teeth groove of thedifferential pick nose sash袁the flow pattern of the downstream river is more chaotic袁the outer pick distanceand the wi
8、dth of the water tongue increase袁and the inner pick distance narrows.There is no significant rela鄄tionship between the width of the groove and the maximum and average velocity of the downstream channelsection袁and the pressure at the bottom of the downstream channel.The research results can provide a
9、 referencefor the width selection of similar projects.Keywords院Picking flow energy dissipation曰Differential lift曰Alveolar width曰Energy dissipation effect1-图 1溢洪道体型图0引言在水工建筑物中袁 挑流消能是泄洪消能常采用的一种方式袁 挑流消能的关键之处在于挑流鼻坎的结构设计1遥 差动式挑流鼻坎因其相较于常规的连续式挑流鼻坎的消能效果好袁 在国内外水工建筑物中得到了广泛应用遥 差动式挑流鼻坎的优点在于可以使溢洪道下泄的水流经过挑流鼻坎时上尧下
10、分流袁使得挑射水流在空气中充分碰撞尧紊动和掺气袁跌落的水流与下游的水垫撞击袁从而减轻对下游河床的冲刷遥目前袁 国内外学者对挑流鼻坎形式的研究较多袁它们包括连续坎尧差动坎尧斜切坎尧扩散坎等遥何志亚等采用 FLUENT 软件针对沙河水库溢洪道挑流鼻坎进行数值模拟袁 同时对推荐体型进行了物理模型试验袁 得出了能满足挑流水舌落点远离下游崩塌体的挑流鼻坎设计方案2曰郭红民等通过物理模型试验对建立的溢流堰挑流消能的三维数值模型进行验证袁在此基础上袁设计多种优化消能方案进行数值模拟计算袁 得出了在原体型的基础上适当增大挑流反弧半径可以改善泄流消能作用的结论3曰马强通过模型试验的方法对数值模拟得到的结果进行验
11、证袁 建立两种不同的尾坎进行数值模拟袁 得出下游河道差动式最大流速比连续式最大流速小的结论4曰张桂花等提出了一种舌瓣鼻坎挑流新体型袁并对其进行了物理模型试验袁研究表明该体型增加了水舌挑距袁 避免了水舌集中冲刷河床5曰张挺通过三维数值模拟的方法对高扩散低收缩差动式挑流鼻坎进行研究袁 与连续式挑流鼻坎进行对比分析袁 得出了差动式挑流鼻坎能获得更好的消能效果的结论6遥 从以上文献可知袁现有研究较多针对固定工程的优化方案袁 而对于差动式挑流鼻坎的齿槽宽度对消能效果的影响研究较少袁故本文以某水库溢洪道挑流鼻坎为例袁选取出较好的优化方案袁 研究差动式挑流鼻坎齿槽宽度对消能效果的影响遥1工程概况及挑流鼻坎结
12、构设计某水利枢纽由拦河坝 渊包括大坝和二坝冤尧溢洪道和引水发电系统等组成遥 溢洪道是水库等水利枢纽工程的防洪设施袁 该溢洪道位于右岸低分水岭处袁为开敞式岸坡溢洪道袁主要由进水渠尧控制段尧泄漕尧挑流鼻坎等几部分组成遥 设计洪水位220.58m 时袁其对应下泄流量为 12 210 m3/s曰校核洪水位 225.41m 时袁 对应下泄流量为 18 570m3/s遥矩形断面泄槽由 130m 宽渐变至 90m袁挑流鼻坎宽度为 90m遥 挑流鼻坎位于泄漕尾部袁原方案采用连续式挑流鼻结构设计袁 优化方案采用差动式挑流鼻坎遥 本次设计以设计流量为研究流量袁选取齿槽宽度为 2m尧3m尧4m尧5m 进行水力特性研
13、究袁以选取出较好的优化方案袁 同时为差动式挑流鼻坎齿槽宽度选择提供参考遥 溢洪道体型见图 1袁差动式挑流鼻坎不同齿槽宽度设计见图 2遥吉林水利溢洪道差动式挑流鼻坎消能研究韩雷等圆园圆3 年 09 月溢洪道纵剖面图溢洪道平面布置图齿槽宽度 2m齿槽宽度 3m进水渠控制段泄槽挑流鼻坎挑流鼻坎泄槽控制段进水渠2-图 2差动式挑流鼻坎不同齿槽宽度设计图齿槽宽度 4m齿槽宽度 5m2基本控制方程本文以 1:1 比尺利用专业三维建模软件建立溢洪道数学模型袁 采用 FLUENT 中对自由表面模拟的 VOF 计算方法及 RNG k-着 湍流模型进行数值模拟袁 其中溢洪道过流为不可压缩黏性流体运动袁 根据基本物
14、理守恒定律袁 对应水流为牛顿流体袁运用连续性方程和动量方程进行描述曰RNG k-着 湍流模型可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动袁 适用于湍流运算袁 具有更高的精度和可信度袁控制方程如下7-8院连续方程院鄣渊籽u冤鄣x+鄣渊籽v冤鄣y+鄣渊籽w冤鄣z+鄣籽鄣t=0渊1冤动量方程院鄣渊籽u冤鄣t+鄣渊籽uu冤鄣x+鄣渊籽uv冤鄣y+鄣渊籽uw冤鄣z=鄣鄣x滋鄣u鄣x蓸蔀+鄣鄣y滋鄣u鄣y蓸蔀+鄣鄣z滋鄣u鄣z蓸蔀-鄣p鄣x+Su渊2a冤鄣渊籽v冤鄣t+鄣渊籽vu冤鄣x+鄣渊籽vv冤鄣y+鄣渊籽vw冤鄣z=鄣鄣x滋鄣v鄣x蓸蔀+鄣鄣y滋鄣v鄣y蓸蔀+鄣鄣z滋鄣v鄣z蓸蔀-鄣p鄣y+Sv渊2b冤鄣渊
15、籽w冤鄣t+鄣渊籽wu冤鄣x+鄣渊籽wv冤鄣y+鄣渊籽ww冤鄣z=鄣鄣x滋鄣w鄣x蓸蔀+鄣鄣y滋鄣w鄣y蓸蔀+鄣鄣z滋鄣w鄣z蓸蔀-鄣p鄣x+Sw渊2c冤RNG k着 模型方程院鄣渊籽k冤鄣t+鄣渊籽着k冤鄣xi=鄣鄣xj琢k滋eff鄣k鄣xj蓘蓡+Gk+籽着渊3冤鄣渊籽着冤鄣t+鄣渊籽着ui冤鄣xi=鄣鄣xj琢着滋eff鄣着鄣xj蓘蓡+C1着*着kGk-C2着籽着2k渊4冤式中院籽 为密度曰u尧v尧w 是速度矢量在 x尧y尧z 方向上的分量曰t 为时间曰滋 为动力黏度曰p 为流体微单元上的压力曰Su尧Sv尧Sw是动量守恒方程的广义源项曰k 为紊动能曰ui为时均流速遥3模型建立及物理模型验证3
16、.1网格剖分及边界条件数学模型选取溢洪道长度与物理模型试验原长一致袁X尧Y尧Z 三个方向的网格单元尺寸均为1m袁 模型包括节点 1 589 784 个袁 网格 8 543 583个袁单元质量最小为 0.332 4袁纵横比最大为 6.3457遥 在保持其他条件不变的情况下袁成比例增加网格数量后袁 相邻两次的挑射水流挑距的误差为4.3%袁网格对结果的影响较小袁满足误差范围遥将溢洪道数学模型上游边界设置为压力进口袁水深为 18.48m袁入口速度为 5.082m3/s曰将溢洪道数学模型下游边界设置为压力出口袁 水深为-32.25m曰压强为标准大气压袁顶部设置为气体压力出口袁压强为标准大气压曰边墙以及底
17、部设置为无滑移固壁边界遥 迭代计算中每项残差值为 10-3袁时间步长设置为 0.02s遥采用 VOF 方法追踪自由表面液面袁 物体的形态通过计算水和气的体积分数表示袁 控制方程如公式渊5冤及公式渊6冤遥aw+aa=1渊5冤鄣aw鄣t+ui鄣aw鄣xi=0渊6冤式中院aa表示气体的体积分数曰aw表示水的体积分数遥3.2物理模型验证为了验证数值模拟理论的准确性及设置参数的正确性袁对溢洪道进行物理模型试验袁验证内容吉林水利溢洪道差动式挑流鼻坎消能研究韩雷等圆园圆3 年 09 月3-差动式挑流鼻坎齿槽宽度挑射水流內缘挑距挑射水流外缘挑距挑射水流挑距宽度2m35.974.738.83m36.273.23
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