口上水库表孔和底孔泄流的三维数值模拟

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口上水库工程区处于太行山中脊西麓,区内松溪河蜿蜒曲折,河谷切割较深,山区河流断面整体呈“U”型,同时工程区河口狭窄,需开挖两岸基岩保证有足够宽度去布置泄水建筑物。因施工困难,只开挖了坝轴线附近的山体,导致在上游库区形成了阻碍两侧表孔泄流的未开挖山体。此山体是否会影响水流流态和下泄流量,是工程管理和运行中十分关注的问题。为了充分研究口上水库表孔和底孔泄流的水力特性,本文在理论分析和前人物理模型试验成果的基础上,采用三维数值模拟的方法对口上水库泄流特性进行模拟研究。根据工程实际运行情况,分析现状情况和坝前山体开挖10m、30m、50m和100m(分别称为方案1~4)的4种改进方案的泄流特性,将各方案数值模拟计算所得的泄流量、沿程水面变化、水流流态、流速分布和压强分布进行对比分析。具体研究内容和成果如下:(1)通过文献查阅,了解了泄流特性数值模拟所涉及的关键问题和处理方法,例如紊流模型、自由面处理和求解方法等。(2)在查阅水库的设计文件和前人研究成果的基础上,用Auto CAD和ICEMCFD相结合的方法,进行工程范围计算域的模型建立及网格划分,利用FLUENT软件采用k-ε紊流模型封闭雷诺时均方程、有限体积法求解、VOF法追踪自由面完成口上水库泄流流场的三维数值模拟。(3)在上游不考虑山体影响的情况下,对5个表孔和2个底孔闸门全开时,设计和校核工况的下泄水流进行模拟计算。模拟计算所得的泄流量、表孔和底孔流量分配、水面线和挑距与模型试验值和理论分析值吻合良好,相对偏差在2%以内。表明本文构建的口上水库泄流模型以及相应初始条件和边界条件的设定是合理的,模拟结果可较真实的反映泄流特性。(4)考虑现状情况山体阻挡情况下,分别对设计和校核工况的水流特性进行计算,发现由于两侧未开挖山体的影响,平行于1、5号闸孔中心线方向上的来流范围较小,1、5号表孔前的水流不能平顺进入闸室,在两侧边墩前形成了旋涡;5个表孔的泄流量分配不均匀,两侧表孔泄流量占表孔总泄流量的17.16%,中间表孔泄流量占表孔总泄流量的21.88%;上游水位分别比设计和校核水位高0.338m、0.418m。说明山体对水流有一定的负面影响,应给予关注。(5)比较相同工况下各改进方案的结果发现,方案1与现状情况的水面线相差不多,水流流态、速度分布和压强分布等水力特性也极为相似;方案2、3、4的各项水力特性逐渐变优,但方案2的回流区及旋涡离进水口仍较近,对两侧1、5号表孔前的水流挤压程度较大;中间表孔和两侧表孔流量仍分配不均匀,两侧表孔泄流量占表孔总泄流量的18.98%,中间表孔泄流量占表孔总泄流量的20.60%;同时上游水位高于设计和校核水位,水流受阻;方案3和方案4的水流特性基本相似,山体的阻水作用已明显减弱,流量分配较均匀,方案3两侧表孔泄流量占表孔总泄流量的19.90%,中间表孔泄流量占表孔总泄流量的20.05%,同时上游水位与设计值接近。说明开挖50m以上,山体对水流的阻碍作用已不明显。(6)本文通过对口上水库现状情况和不同山体开挖程度的泄流特性三维数值模拟,发现当发生大洪水时,大坝前的山体对水流有一定阻碍作用,若将山体开挖50m(方案3),可改善泄水建筑物前的不良流态,水位-流量关系也满足设计要求。研究成果可为工程管理单位提供参考。
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