某水库阶梯溢洪道水力特性研究.pdfVIP

第 38卷第 6期 人 民 黄 河 Vo1．38．No．6 2016年 6月 YELLOW RIVER Jun．，2016 【工程勘测设计 】 某水库阶梯溢洪道水力特性研究 钟晓凤 ，张法星，孙 宁，张亚磊 (四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065) 摘 要：采用标准k-e双方程紊流模型，结合VOF法，对某水库阶梯溢洪道的水面线、流速、底板压强等水力特性进行了 数值模拟 ，部分计算结果与 1：30比尺水工模型试验的结果进行了对比验证。结果表明：单宽流量较大时阶梯段水流为 滑移水流流态，阶梯段水面较稳定；消力池 内为淹没水跃 ，水面波动剧烈。台阶水平面外缘的压强明显大于内侧 ，各个台 阶的压强分布规律一致，阶梯加消力池联合消能的效果显著，可供类似工程参考。相关水力参数的数值计算值和试验结 果吻合 良好，三维紊流数值计算可以获得流场的详细信息，表明采用上述紊流模型来计算阶梯溢洪道的流场是可行的。 关键词：阶梯溢洪道；VOF模型；流场；消力池；消能率 中图分类号：TV135．2 文献标志码：A doi：10．3969／j．issn．1000—1379．2016．06．029 近年来，阶梯式溢洪道以消能效果好、工程量小、 为阶梯，共 19级。其中前三级为过渡段，阶梯高分别 造价低等特点越来越多地被运用到水利水电工程中。 为0．5、0．8、O．9m，宽分别为2．4、2．7、1．0m，其余阶梯 对阶梯消能工的水面线、消能率、掺气特性、摩阻系数、 高 1．0m、宽3．0m。泄槽末端接消力池，消力池宽14．0 模型的比尺效应等方面的研究也 日益受到人们的重 m、长30．0m，尾坎高 3．0m，消力池底板高程为403．0 视 j。随着研究的不断深化，人们认识到，水面线、 m，消力池末端为人工明渠。溢洪道体型见图1，X、Y、 摩阻系数、掺气特性、消能率等宏观水力参数与阶梯溢 z分别为轴 向、纵向、垂 向起点距。 洪道水流的流场结构紧密相关 J。阶梯溢洪道水流 20 10 流场结构研究方法也 由最初的水工模型试验 ，发展到 目 O 模型试验和三维紊流数值计算相结合 。通过对压 0 20 4O 6。 舳 l00 120 14O 160 18。 强的研究发现，台阶水平面上压强沿水流方向由上游 (a)平面 向下游先增大后减小，且最大值位于水平面外缘 1／3～ 1／4处；而压强的最小值则位于台阶立面上，有时甚至 会出现负压_】 。为了求得台阶溢洪道的水面线，人 m 们还引入了相对比能的概念，发现台阶溢洪道的相对 (b)纵剖面 比能与流程长度呈线性关系，从而可以通过光滑溢洪 图1 某溢洪道体型 道水面线推求出台阶溢洪道的水面线 ¨ 。消能率 2 模型试验与数值计算方法 与阶梯溢洪道的坡 比有关，而且随相对坝高和台阶高 度的增加而增大，而单宽流量增加、消能率下降主要是 2．1 水工模型试验 纯台阶消能作用不变导致的¨卜 。笔者采用水工模 水工模型依据重力相似准则设计 ，比尺为 1：30， 型试验和标准k-s紊流模型相结合的方法，对某水库 为正态模型。上游水库两岸地形模拟至坝轴线上游约 阶梯溢洪道的流场进行研究，并通过水工模型试验进