消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究-水力学及河流动力学专业论文.docx

四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究摘要向家坝水电站因其坝址所在地对环境有特殊要求，不能采用雾化影响比较严重的挑流消能形式，初步设计采用了底流消能形式。但由于水头高、流量大，消力池临底流速达到351rds以上，严重威胁泄洪安全，因此，泄洪消能问题遂成为向家坝工程设计中的重大技术难题。四J11；k学高速水力学国家重点实验室结合向家坝水电站泄洪消能特点和对雾化有严格限制的要求，与设计单位共同提出了多股多层水平淹没射流这一新型消能方式。多股多层水平淹没射流消能兼有空间三元水跃和淹没射流两种流动特性，有自身独特的水力特性和消能机理，目前在国内外尚未有相关研究报道。多股多层淹没射流的紊动剧烈，流态相当复杂，现有的测试手段很难详细了解消力池内部的旋涡结构和强度，而数值模拟技术则能弥补物理模型测试手段的不足，能够得到详细的流场水力特性，从而为分析消力池的水动力特性及消能特性提供有力的科学依据。本研究采用国际上先进的紊流计算软件Fluent，选用水气两相流的VOF模型追踪模拟自由表面，采用RNG≈一s紊流模型对向家坝水电站消力池三维流场进行数值模拟。对计算成果进行了大量仔细的分析，得到如下结论：1．数模计算结果与物模试验结果吻合良好，从而证实数模计算结果基本正确，是可信的。数模计算结果信息量庞大，全面反映了消力池的水力特性和消能过程，是物理模型的有力补充。2．各计算工况均在主射流上方形成稳定的表面旋滚，下方形成稳定的贯穿的横轴旋滚。原方案表孔单独泄洪时，面流形态较明显，主流扩散较慢，流态较差。3．各计算工况的泄槽及消力池各部位的壁面压力均为正压。消力池底板压力变化平缓，没有明显的冲击点。底板及侧壁压力在消力池首部有一低压区，其余部位基本为静水压力分布。4．高低坎体型使下泄水流分割为上下左右相互错开的多股多层射流，并在消力池内生成大小不一、形态各异的多个旋滚，从而使消能率显著提高。5．修改方案表孔单独泄洪的流态得到很大改善，消能率提高，消力池四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究临底流速较原方案均有所增大，表中孔回流区长度较原方案减小。原方案与修改方案所计算的l 6个工况，仅修改方案的工况1与工况7在消力池底板上出现游离性的贯穿的立轴旋涡，其余均未见到明显的稳定的立轴旋涡。本研究仅对向家坝表、中孔出口高程进行了一种体型修改，今后应进一步优化表、中孔出口底高程及高差，表、中孔出口俯角等体型参数，继续深入研究多股多层水平淹没射流的消能机理。多股多层水平淹没射流消能是1中环保型的消能方式，特别适用于高水头、大单宽流量，尤其适用于对航运和环境有特殊要求的大中型水利工程，具有较好的推广应用前景。关键词：水利工程基础学科，三维流场，紊流数值模拟，VOF法，多股多层淹没射流，消能II四川大学博士后出站报告：消力池多股多层水平淹没射流三维数值模拟及消能研究AbstractBecausexiangjiabapowerstation’Sseathasspecialsurroundingsrequest,itsenergydissipateradoptsprimarilyundersetdissipateranddon’tadoptsplungejetdissipaterbecauseofitssevereatomizationeffect．Butduetohighwaterhead，bigflux，velocityofflowonplungepoolbottomarrivesat35m／s，undersetdissipaterendangerbadlydischargebuildings．Soenergydissipationofxiangjiabaprojectisfatefultechnologydifficultproblem．StateKeyHydraulicsLaboratoryofSpeedFlows(SichuanUniversity)putsforwardanewdissipater--·---Multilevelsubmergedjetsforsolvingthisdifficultproblem．Multilevelsubmergedjetshastwiceflowcharacteristicofspace3Dhydraulicjumpandsubmergejet．Soithasownuniqueflow characteristicandenergydissipationmechanism．Atpresentthereisnotcorrelationinvestigationstoitinsideandoutside．Multilevelsubmergedjets’flow