齿墩式内消能工作为一种新型的突缩突扩式内消能工,具有消能率高、对环境影响小、结构简单等特点,近年来对其进行了深入的研究。在前期工作中,主要采用物理模型试验的方式对单级齿墩式内消能工进行了研究。为了进一步研究齿墩式内消能工的水力特性,提出了二级齿墩式内消能工。本文采用标准k-ε紊流模型对单级齿墩式内消能工进行数值模拟,并且与物理模型试验的结果进行对比。在完成模型验证的基础上,对二级齿墩式内消能工的部分水力特性进行了数值模拟,得到了两级齿墩间距和面积收缩比对管道过流能力、消能率、中心轴压强、空化数以及流场特性的影响规律,主要结论如下:1.三组方案在流量和齿墩段间距一定的条件下,面积收缩比ζ₃=0.375时,压强降幅最大,达到71.9%,面积收缩比ζ₁=0.625时,压强降幅最小,仅为14.1%。这种现象表明,在初始流量和齿墩段间距不发生变化的条件下,面积收缩比越小,中心轴压强降幅越大。面积收缩比ζ₃=0.375时,三种流量状态下,Q₁=20l/s工况下的中心轴压强始终最大,降幅最小,仅为31.1%,Q₃=30l/s工况下中心轴压强始终最小,降幅最大,达到71.9%。这说明,当齿墩段过流面积和间距不发生变化时,管道内流量越大,中心轴压强越小,降幅越大。面积收缩比ζ₃=0.375时,齿墩段间距分别为20cm、40cm和60cm三种方案下的水流进入第一级齿墩前,三种方案的中心轴压强基本相同。水流流出第二级齿墩后,齿墩段间距为60cm压强降幅最大,达到49.1%,齿墩段间距为20cm压强降幅最小,达到41.6%。这是因为齿墩段间距越大,水流在流经第一级齿墩段时,水流中形成的紊动、掺混和漩涡作用段较长,消能更加完全,消耗了更多水流的能量,导致压强的降幅最大。数据表明,在齿墩段过流面积和管内流量不发生变化的条件下,齿墩段间距在一定范围内的扩大会降低管道中心轴压强。2.齿墩段间距为60cm的情况下,面积收缩比ζ₁=0.625时空化数始终最大,面积收缩比ζ₃=0.375时空化数最小,三种方案的最小空化数分别为62.153、31.631和9.465。当流量发生变化时,Q₁=20l/s工况下的空化数始终最大,该流量下的最小空化数为58.451,Q₃=30l/s工况下的空化数始终最小,最小空化数为18.034。由此可知同一方案中,随着流量的增大或面积收缩比的减小,管道内最小空化数逐渐降低,抗空蚀破坏能力减弱,产生负压和发生空化现象的可能性增大。3.在面积收缩比一定的情况下,管道的过流能力随着两级齿墩段间距的增加而逐渐降低,下降的幅度也逐渐变缓,当面积收缩比ζ₁=0.625,流量系数接近0.59时趋于稳定,面积收缩比ζ₃=0.375,流量系数接近0.26时趋于稳定。4.同一流量下,面积收缩比ζ₁=0.625时,流量系数最大,面积收缩比ζ₃=0.375时,流量系数最小,且差距明显,一般相差35%左右,这说明管道的过流能力随着管道齿墩段过流面积的减小而有明显的减弱。5.相同面积收缩比下,管道的消能效果随着两级齿墩段间距的增加而有所增强,且变化的幅度会逐渐变缓;三组方案中,面积收缩比越大,消能效果越稳定;对比三组方案在不同流量工况下的消能率,可以看出,面积收缩比ζ₁=0.625时,Q₃=30l/s工况下的消能率比Q₁=20l/s工况下的消能率提高了近7%,而面积收缩比ζ₃=0.375时,消能率提高了近38%,这说明,在其余条件相同的情况下,面积收缩比越小,齿墩段的消能效果越容易受到流量变化的影响。6.同一流量下,面积收缩比ζ₃=0.375时消能率最大,消能效果最好,面积收缩比ζ₁=0.625时消能率最小,消能效果最差,且差距明显。这说明管道的消能效果随着管道齿墩段过流面积的减小而有明显的增强;三种流量下,各方案流量系数变化趋势总体相同,都随着齿墩段间距的增大而减小,并在一定间距后接近稳定,当面积收缩比ζ₁=0.625时,消能率随着齿墩段间距的增加变化幅度很小,面积收缩比ζ₃=0.375时,消能率变化明显。这说明,面积收缩比越小,消能率越容易随着齿墩段间距的增加产生变化。7.水流流经齿墩段时,水流的紊动能、紊动能耗散率以及速度都有显著提升,在两级齿墩段之间都有所恢复。这说明紊动能及其耗散率都与速度有关,速度越大,紊动能及其耗散率越大。齿墩段间距越大,水流消能效果越明显,第二级齿墩处的流速越小。水流速度在管道中心轴处最大,越靠近管壁速度越小。