斜立面台阶式溢洪道水力特性数值模拟

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本文采用RNG k-ε双方程紊流模型和VOF法相结合的方式,选取三组流量,两种溢洪道坡度(1:1.428,1:0.839),四种台阶体形,对斜立面台阶式溢洪道进行数值模拟,并与传统台阶式溢洪道的水面线、速度场、压强场、消能率等方面进行了比较,以此获得斜立面台阶式溢洪道的水力特性。研究结果表明:  1、水流经过堰顶到达台阶段时水面有所降低,溢洪道水面线沿程光滑,说明水流流态稳定,均属于滑行水流,进入消力池后水面逐渐趋于平稳。另外,同一体形时,单宽流量越大,自由水面越高;同一单宽流量时,台阶的立面倾角越大,自由水面线越低。  2、台阶上的流速矢量由两部分构成,其中台阶外的流速矢量方向一致,呈直线型分布,台阶内呈顺时针横轴漩涡分布。单宽流量越大,沿程流速越大,台阶的流速矢量越大:当台阶的立面倾角增大,沿程流速略微增大,台阶上的漩涡区域在水平和竖直方向都会减小。流速由水平台阶向自由水面变化,流速增加,速度梯度逐渐减小,在台阶的凹角流速最小,自由水面流速最大。同一体形时,随着流量增加,流速增大;同一流量时,随着台阶立面倾角的减小,台阶上的流速在减小,台阶内的流速变化随之减小。  其次,研究沿水深方向的流速分布,随着单宽流量的减小,水深方向上的流速也在减小;随着立面倾角的增加,沿水深方向的流速增大。  3、在台阶内总会出现一个高压区和一个低压区,且低压区的压强出现负值。台阶立面和水平面的压强等值线都呈环形分布,立面上为低压区,有负压值出现,向外压强逐渐增大,一直增加到正压为止;水平面上为高压区(均为正压),向外压强逐渐减小,与低压区的变化趋势恰好相反。因此,单宽流量减小,最大正压值和最小负压值同时减小,负压的范围减小;台阶的立面倾角增加,最小负压值逐渐增加,负压区范围增大。  其次,研究了台阶立面和水平面上的压强分布,流量增加,台阶立面的最小负压值增加,凹角处的最大正压值增加,同时水平面上的压强增加;台阶的立面倾角增大,作用在台阶凹角处的最大正压值增加,而立面上的最小负压值减小,同时水平面上的最大正压值增加,最小负压值减小。  对比两个坡度的压强分布发现,溢洪道坡度为35°时台阶水平面和立面上的最大正压值始终大于坡度为50°时的最大正压值,坡度35°时立面上的最小负压值大于50°时  4、在同一单宽流量下,随着立面倾角逐渐增加,台阶段的消能率有逐渐减小的趋势,但是变化很小。而在同种体形下,流量增加,消能率降低。对比两种坡度发现,相同条件下,溢洪道坡度越陡,消能率越低;溢洪道坡度越缓,消能率越高。
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