闸站结合枢纽交叉河道水流三维数值模拟及试验研究

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闸站合建枢纽由于占地面积小、工程投资省、方便运营和管理等优点而在平原河网地区得到越来越广泛的应用。其中闸站不对称布置方式将泵站与水闸分居河道两侧,单侧泄流时,在枢纽下游会产生强烈的回流和偏流,不仅增加了消能防冲的负担,而且对枢纽安全构成严重威胁。同时,若闸站枢纽位于河道交汇口上游区域,在工程的控制下,支渠流量的汇入对主渠而言成为强制入流,由此产生的横向流速是影响交汇口设计通航的主要因素。同时,工程不均匀排水导致下游河道交汇口流态复杂化,进一步给航运安全带来不利影响。因此,研究闸站枢纽出流及交汇口水流特性,对于枢纽工程布置及运行调度,确保闸站工程安全运行及主河道航运安全,均具有十分重要的意义。本文以某闸站不对称布置枢纽为工程背景,运用三维数值模拟技术和模型试验方法,对闸站枢纽出流及交汇口水流流态进行研究。着重分析了枢纽出流和渠道交汇口流态的各种影响因素及变化规律,阐述了回流、偏流的形成原因及危害。本文主要研究成果有:(1)对闸站不对称枢纽出流特性和明渠交汇口水流流态的研究与发展进行了综述,并对存在的水流问题及其危害进行了分析和讨论。(2)采用RNGκ-ε紊流模型模拟闸站枢纽出流及明渠交汇口流动,较全面地分析了闸站出水侧隔流墩长度、出水池距河道交汇口距离、泵站运行工况对枢纽出水流态的影响;与此同时,探讨了河道不同交汇角度、主支渠来流量、交汇口距上游枢纽距离、桥墩以及分流比对交汇口水流流态的影响,分析各种不良流态的原因,并提出了一些改善措施。(3)分别采用标准k-ε模型和RNGκ-ε紊流模型对具体闸站枢纽工程出水流态进行了数值模拟研究,研究结果表明,采用RNGκ-ε紊流模型模拟出的流场与试验结果较为吻合。(4)对具体闸站枢纽工程进行了模型试验研究,试验结果与数值模拟结果基本吻合。
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