X型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能的三维流场数值模拟.pdfVIP

水 　　利 　　学 　　报 　2004 年 8 月 SHUILI 　　XUEBAO 第 8 期 ( ) 文章编号 2004 X 型宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能的三维流场数值模拟 1 1 2 2 张挺 ,伍超 ,卢红 ,郑治 ( 1 四川大学 高速水力学国家重点实验室 , 四川 成都 　610065 ; 2 国家电力公司 贵阳勘测设计研究院 ,贵州 贵阳　550002) 摘要 :宽尾墩与阶梯溢流坝联合消能是一种新型坝面泄流形式的消能工 。由于宽尾墩和阶梯的共同作用 ,其水流 表现为很强的三维特性 ,水气二相混掺剧烈 , 目前对其流场的三维数值模拟还未见报道 ,本文采用双方程紊流模型 对 X 型宽尾墩 - 阶梯溢流坝联合消能的三维流场进行了全场数值模拟 ,给出了压力特性 、流速分布 、阶梯及宽尾墩 墩后水气两相流的部分特性 ,计算结果与模型试验数据对比 ,两者吻合 良好 ,计算发现 ,在第一级阶梯脱体处存在 负压 ,随后在试验中得到了验证 。研究结果表明 ,采用 X 型宽尾墩 - 阶梯溢流坝联合消能 ,阶梯坝面上能形成明显 的纵 、横向旋滚 ,提高了消能效果 。 关键词 :X 型宽尾墩 ;阶梯溢流坝 ;数值模拟 中图分类号 :TV1352 文献标识码 :A 随着百米级以上的高坝逐渐增多 ,通过坝面泄流的单宽流量越来越大 ,其消能方法也逐步引起了专 家学者们的关注 。国外对阶梯溢流坝进行了一系列的物理模型实验研究[1 ,2 ] 在数值模拟方面 ,Unami , K [3 ] [4 ] 等 对溢流坝进行了二维数值模拟 ,Song 等 对溢流坝 自由表面进行了数值模拟 。在我国 ,近年来的几 个电站中采用了宽尾墩 - 阶梯溢流坝的新型高效消能设施 , 已进行了水工模型试验 ,积累了有用的试验 [5 ,6 ] [7 ] 资料 ,如大朝山水电站 、百色水电站 、水东水电站等 。李中枢等 在实验中对宽尾墩的体型选择及水 [8 ] [9 ] 力特性进行了研究 ;倪汉根 提出了等效分流比的概念 ,给出了简化计算方法 ;谢省宗等 结合安康水 电站 ,对宽尾墩与消力池进行了水力计算 。由于宽尾墩 - 阶梯溢流坝的边界条件复杂 ,存在很难求解的 曲线自由水面 ,属复杂几何形状 、强非线性问题 ,这给紊流数值模拟带来困难 , 目前对宽尾墩 - 阶梯溢流 坝联合消能方法的研究多为模型试验和原型观测 ,而对宽尾墩 - 阶梯溢流坝联合消能方式的三维数值 模拟研究还未见报道 。因此 ,为了了解 X 型宽尾墩 - 阶梯溢流坝联合消能方式的流场特性 ,本文对其 流场进行三维全场数值模拟 。 1 　数值模型 紊流模型的实质是用各种方式补充微分方程或关系式来封闭时均雷诺方程组 ,根据补充的微分方 程的数 目,将紊流模型划分为零方程模型、单方程模型、双方程模型和多方程模型 。本文结合索风营水 ε 电站 X 型宽尾墩 - 阶梯溢流坝实际工程 ,采用 k ～ 双方程紊流模型对流场进行数值模拟 ,方程如下 : 连续方程 ρ ρ ui