（水利水电工程专业论文）低水头水利工程消能工的研究.pdf

低水头水利工程消能工的研究 摘要 低佛氏数水跃的消能防冲是低水头水利工程的一个普遍水力学问题， 其特点是水跃消能率低，下游存在较大波浪，不仅淘刷岸坡、影响工程的 运行，而且对下游河床冲刷严重。如何有效的解决低佛氏数水跃的消能防 冲问题是低水头水利工程中的难题之一。 以实际工程中存在的低水头消能工为研究对象，采用女心方程紊流模 型并结合v o f 追踪自由水面法，通过数值模拟对u s b r i v 型、i s i 型、s a f 型和t 型等四种国内外常用低佛氏底流消能工在消能效果、流态分布、工 程造价等方面进行对比研究，从而获得消能效果较好的型式。消力墩是消 力池可选组成之一，为了提高消能工的消能效率，提出了一种新型消力墩。 从消力墩的下游水流流态、水流流速分布情况和消能效率等方面进行优化 设计，并且与传统消力墩的消能防冲效果进行了比较，以期为工程设计提 供科学实效的理论支撑和参考。 研究结果表明：在低佛氏数水流条件下，与传统消力墩比较，新型消 力墩显示了较好的消能效果。同时，新型消力墩结构简单，易于施工，工 程量较少，用于低佛氏数水流消能安全可靠，适于推广应用。 关键词：消能防冲低佛氏数低水头消能工数值模拟 r e s e a r c h0 1 1e n e r g yd i s s i p a t o r so fl o w w a t e r h e a d a b s t r a c t ac o m m o nh y d r a u l i cp r o b l e mi nt h el o w - h e a dw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t s i se n e r g yd i s s i p a t i o no fl o wf rn u m b e r t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw h i c hi sl o w e f j f i c i e n c y , l a r g ew a v e si n d o w n s t r e a ma n ds e r i o u se r o s i o nt ot h es h o r e h o wt os o l v e t h e s ep r o b l e m si sad i f f i c u l tp r o b l e mo ft h el o w h e a dh y d r a u l i e p r o j e c t sa tp r e s e n tt i m e s t os t u d yt h ep r o b l e m so fl o wh e a dd i s s i p a t e r s ，t h e 舡8t u r b u l e n tm o d e l a n dv o fm e t h o da r eu s e d b ym a t hs i m u l a t i o nt ot h eu s b r - i vt y p e ，i s it y p e ， s a ft y p ea n dtt y p e ，t h ed i s s i p a t i o ne f f i c i e n c y ，f l u i dd i s s i p a t i o na n dc o s ta r e c o m p a r e db e t w e e na b o v et y p e s t h e nt h eb e s td i s s i p a t i o nd e v i c e sa r ea d o p t e d e n e r g yd i s p e r s i o nb l o c ki so n e o ft h em a i np a n so ft h ed i s s i p a t i o nd e v i c e i n o r d e rt oi m p r o v et h ed i s s i p a t i o ne f i c i e n c y , an e wt y p eo fe n e r g yd i s s i p a t i o n b l o c ki sd e s i g n e d f r o mt h ef l o wp a t t e m ，f l o wv e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n d d i s s i p a t i o ne f f i c i e n c yb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o n i sd o n e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a le n e r g yd i s p e r s i o nb l o c k ，t h e s c i e n t i f i ca n d t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o re n g i n e e r i n gc a nb ep r o v i d e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h el o wf rn u m b e r ，t h en e wt y p eo fe n e r g y d i s p e r s i o nb l o c ki sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo l l e a tt h es a m et i m e ，t h en e w t y p ei se a s yt oc o n s t r u c ta n dt h ec o n s t r u c t i o nq u a n t i t y i ss m a l l i ti ss a f et ou s e u n d e r1 0 wf rn u m b e rf l u i dc o n d i t i o na n dc a l lb eu s e do np r a c t i c a lu s a g e k e yw o r d s ：e n e r g yd i s s i p a t i o n ；l o wf r o u d en u m b e r ；e n e r g yd i s s i p a t o r so f l o ww a t e r - h e a d ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 表3 1 表4 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表4 6 表4 7 表4 8 表4 9 表4 1 0 表4 1 l 表4 1 2 表4 1 3 表格清单 t 型墩消力池体型特点2 6 四种低佛氏数消力池具体尺寸3 1 四种低佛氏数底流消力池优缺点对照表3 3 四种消力墩的水流数值模拟结果表3 5 四种消力墩的消能效率计算结果表3 5 几种消力墩墩高的水流数值模拟结果表3 6 几种消力墩墩高的消能效率计算结果表3 6 几种消力墩墩距的水流数值模拟结果表3 7 几种消力墩墩距的消能效率计算结果表3 7 不同角度组合下消力墩的水流数值模拟结果表3 9 不同角度组合下消力墩的消能效率计算结果表4 0 不同水力工况下的消能工的具体尺寸数据表4 2 不同f r 数水流条件下水流数值模拟结果表4 4 不同f r 数水流条件下消能率的计算结果表4 4 插图清单 图1 1低水头辅助消能工示意图4 图1 2u s b r i v 型消力池6 图1 3u s b r 1 1 i 型消力池：6 图1 4美国s a f 型消力池体型6 图1 5印度i s i 型消力池体型6 图1 - 6戽式消力池体型示意图7 图2 1紊流数值模拟方法1 1 图2 2雷诺平均紊流模型1 3 图3 1泄水建筑物下游水流水跃示意图2 3 图3 2t 型墩体型示意图2 6 图3 3紊动能普2 7 图4 1深挖式底流消力池纵剖面图3 0 图4 2四种型式消力池流速矢量图3 2 图4 3四种型式消力池底板压力等值线图3 2 图4 4四种消力池末端中心线纵向水流流速分布图3 3 图4 5几种消力墩的体型示意图3 4 图4 - 6四种体型的消力墩墩后水流流速分布图3 5 图4 7五种墩高的水流流速分布图3 7 图4 8五种墩高的消能效率分布图3 7 图4 - 9五种墩距的水流流速分布图3 8 图4 1 0 五种墩距的消能效率分布图3 8 图4 1 11 3 = 9 0 0 时不同a 角流速分布图：3 8 图4 1 21 3 = 1 2 0 0 时不同a 角流速分布图3 8 图4 1 31 3 = 1 5 0 0 时不同仅角流速分布图3 9 图4 1 41 3 = 1 8 0 0 时不同仅角流速分布图3 9 图4 15 确定仅角，不同p 角的消能效率分布曲线图4 0 图4 1 6s a f 型消力池的布置型式( 一) 4 1 图4 1 7s a f 型消力池的布置型式( 二) 4 1 图4 1 8f r = 2 2 9 时池后水流流速分布图4 3 图4 1 9f r = 2 7 8 时池后水流流速分布图4 3 图4 2 0f r = 3 2 7 时池后水流流速分布图4 3 图4 2 1f r - - 3 7 2 时池后水流流速分布图4 3 图4 2 2 不同f r 数消能效率分布曲线图4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆互些太堂 或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：廖搀签字日期：驯驴年d 尹月罗。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目曼王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借 阅。本人授权金妲王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名： 签字日期：力弦年秽缈月矽日签字日期：乒年戈月歹。日 学位论文作者毕业后去向：考星 工作单位： 通讯地址： 电话；1 努 s 本叶 邮编； 致谢 本文的研究工作是在导师王军教授悉心指导下完成的。在两年多来的 研究生学习期间，在学习和工作各方面给予我无私的帮助和鼓励，导师严 谨的治学作风、深厚的学术造诣、渊博的科学知识、朴实的生活作风使我 受益匪浅。正是导师在专业上的耐心指导、为人处世方面的谆谆教诲和生 活上无微不至的关怀，才使我得以顺利完成硕士论文。在此特向恩师及其 家人表示衷心的感谢和最诚挚的敬意! 同时感谢院长程观富在研究项目和资料上给予的多方面的帮助和支 持，在此向他表示我心中最诚挚的感激和谢意! 我还要感谢张晓燕老师，师兄陈胖胖，同门何亮、吴鹏等人，还有热 心的网友邱本军同学，他们在学习、生活及科研上给予我大力的支持和帮 助，使我顺利完成研究生学业。在此特别感谢我的父母，多年来正是他们 的支持和无私奉献，使我顺利走到今天。 最后，衷心感谢评阅我硕士学位论文和出席论文答辩的各位专家和老 师，感谢他们在百忙中给予的指导。 作者：唐文超 2 0 1 0 年0 4 月1 0 日 第一章绪论 在我国水利水电工程中，建有大量的低水头水利工程，对农业发展、城市 给水、环境保护、城市防洪与旅游事业的发展等作用日益显著。特别是为了节 省建筑物的造价，常要求建筑物泄水宽度比原河床小，使得流动条件发生变化， 具有明显的破坏性。为了消除泄水建筑物或落差建筑物下泄急流的多余动能， 防止或减轻水流对水工建筑物及其下游河渠等的冲刷破坏而修建的工程设施称 为消能工，其能使水流转变成下游的正常缓流。下面着重介绍消能工研究的目 的、现状、课题的来源和研究的内容。 1 1 研究的目的和来源 低水头水工建筑物一般位于河流中下游流域处地势较为平缓的地区，往往 不能引起足够的重视。此类水利工程的显著特点是水头较低、下游水位变动较 大、来水随季节变化十分明显、消能不稳定、消能后水面波动较大。当佛汝德 数f r 4 5 时，消能效率约为2 0 4 0 t ，由于消能工的消能效率较低，大量的能 量被携带到建筑物下游，加剧了消能工下游水流的紊动，对河床冲刷严重。在 实际工程中，往往由于消能问题不能够得到很好的解决，下泄水流具有较大的 动能，导致河床形成冲坑，岸坡冲毁，下游水位降低，从而进一步恶化了消能 防冲的水力条件，对低水头水工建筑物的安全威胁增大，甚至导致工程失事， 这一点己为工程实践和模型试验所证实。根据我国1 0 3 座大中型泄水建筑物调 查研究【卜3 1 ，其中造成破坏的工程有6 7 座，约占总数的6 5 ，由于冲刷与淘刷 破坏的工程有3 8 座，约占总数5 6 7 ，空蚀破坏的工程约占3 2 8 ，磨蚀损坏 的工程约占l o 5 。统计工程中的消能防冲设施费用在泄水建筑物中又占4 0 一5 0 ，因此，如何降低工程造价，同时有效的解决低水头、低佛汝德数水跃的消 能防冲问题是当今水利界人士广为关注的问题之一 为此，安徽省水利水电勘测设计院提供了针对低水头消能工的技术开发项 目，主要研究在满足低佛氏数水跃的下游消能防冲问题前提下，同时能够降低 工程造价，这无论从技术还是从经济上来讲都有非常重要的意义。要解决此问 题，必须针对水利工程的实际存在的具体问题，对水流余能的消散和防冲措施 等进行深入研究，努力寻找出较优的消能工形式。 1 2 低佛氏数水跃的特点 根据已有的研究成果证明，低水头水利工程下泄水流的佛汝德数较低( 一 般跃前f r 4 5 ) ，其水流特性表现有： ( 1 ) 水流易出现摆动水跃或波状水跃，且摆动极为敏感，导致水流极不稳 定，呈波浪形状。跃后水流流线不平行，垂线上的流速分布不均匀，且底部流 速较大，易对河床造成冲刷。f r 越小，垂线流速分布沿程自然调整成正常分布 时所需的流程越长1 4 曲j 。 ( 2 ) 水流存在大尺度紊动l _ ”，动能向大尺度紊动能的转换，紊动能越大， 水跃漩滚消散的能量越少，将有大量的未被消散掉的余能( 即紊动能和波动能) 带往下游，造成跃后水流强烈的紊动和波动，给下游消能防冲带来较大的困难。 ( 3 ) 水跃尾部存在着“进行波，【引，即跃首射流从底部到水流表面作不规则 的周期性上下摆动时，水面会产生较大的波动，导致在下游水面形成“进行波”。 这种波浪如遇较狭窄的渠道可以向下游传播达数千米之远，并向两岸扩散，对 护岸产生危害。 ( 4 ) 水跃水跃消能率低【1 - 3 1 ，水跃消能率与佛氏数成正比【9 1 。当f r = 2 5 4 5 时，为不稳定水跃或震荡水跃，其消能率较低，只有2 0 一4 0 ；当f r = 1 7 - - 2 5 ，为弱水跃，水跃表面有一连串小的漩滚，其消能率小于2 0 ；当f r = 1 0 1 7 ，为波状水跃，水面仅有微波，消能效率很低，部分动能转化为波动能量， 经较长距离才衰减。 由此可知，低佛氏数水跃的显著特点是出现摆动水跃，水跃内部漩滚微弱， 其来流的能量较大，但水跃消能率低，因此传统的底流消能方式往往难于满足 低佛氏数水跃消能的要求，所以加强对水力消能的研究，努力寻找出较优的消 能工形式，是项艰巨而又意义重大的任务。 1 3 水利工程消能工型式 1 3 1 消能方式概述 目前国内外比较成熟并且运用比较广泛的消能方式有底流消能、面流消能 和挑流消能【l 引，现将三种消能方式的优劣和工程应用情况介绍如下： ( 1 ) 底流消能 底流消能也称水跃消能，是利用水跃进行流态变化及消耗能量。通过剧烈 的紊动作用使水流的部分动能转化为热能和位能，从而达到消能的目的。它具 有安全可靠、流态稳定、消能率高、下游冲刷较小、雾化问题较轻等优点，可 适用于高中低水头、大中小流量的各类泄水建筑物，基本不受地质条件限制， 软基岩基都能适用，对尾水变幅适应性较好。目前国内大部分的低水头闸坝消 能工大都采用底流消能工方式。不过由于跃后水流特性的影响，底流消能效率 较低，另外设计要求消力池长度较大，工程造价也相应较高。 ( 2 ) 面流消能 面流消能分为跌坎面流和戽斗面流两类，利用设置在溢流坝末端的跌坎或 戽斗，将上游的下泄水流导至下游水面，通过底部漩滚和面部漩滚的作用，使 射流逐渐扩散，借此消能。总体来讲，面流消能方式的使用条件较底流和挑流 消能苛刻，主要有：下游尾水水深大于水跃消能的第二共轭水深，单宽流量可 较大，但上下游水位差不大，岸坡稳定性和抗冲能力强。面流消能的工程造价 2 远远低于底流消能，在满足设计条件的工程中有一定的应用。 ( 3 ) 挑流消能 挑流消能一般适用于尾水较低但岩基条件较好的工程，其特点是在泄水建 筑物的末端利用鼻坎将泄出水流挑离建筑物较远的下游，使水流的能量在空中 和下游水垫中消耗。挑流消能通常用于高水头建筑物消能中，在水头较低的情 况下，很难形成较大的挑射能量，另外当下游尾水较深时，挑坎常被淹没在水中， 下泄水流无法挑起。因此，挑流消能一般很少用于低水头水工建筑物消能。 综上所述，低水头建筑物消能一般以底流消能为主，但是单一的底流消能 方式在消能效果上还有待改进【l ，也有一些工程中采用了面流消能，不过应用 条件较为苛刻。消能工的设施费用约占总水工建筑物费用的4 0 - 5 0 ，造价 昂贵，因而传统的底流消力池在工程经济上也有着一定的制约因素。 1 3 2 提高底流消能工消能效率的工程措施 为了解决低佛氏数水跃的消能问题，克服低佛氏数水跃的波动，增强低 佛氏数水跃的消能率，需在消力池或护坦上加设各种辅助消能工或改良消力池 的形态。早在2 0 世纪6 0 年代，水利研究者就开始研究，提出了一些提高低佛 氏数水跃消能率的措旖，这些方法大致可总结为四大类。 ( 1 ) 多级消力池l i 引 多级消力池是采用两级或两级以上的消力池目前在我国水利工程使用的 尚不太多，已使用的有沐河大官庄枢纽、四川东西关水电站、黄河沙坡头施工 导流明渠、人民胜利堰节制闸等。对于低佛氏数水跃的消能，由于每一级消力 池消能率都很低，均在2 0 一3 0 左右，通过多级消力池，使跃后余能水流落 差，给下一级水跃形成创造条件，通过几次消能的积累，便可获得较好的消能 效果。例如，东进闸原设计一级消力池消能率仅为1 9 8 ，改为5 级消力池后， 总消能率达6 2 。 ( 2 ) 在消力池中添加辅助消能工。 底流消能是通过水跃来实现的，而其消能效率与来流佛氏数f r 密切相关， f r 愈大，则消能效率愈高。实践证明，在水跃区增设各种辅助消能工，是提高 水跃消能效率的最基本、最有效的方法，同时也有效减小了消力池的尺寸，从 而使得工程建设更为经济可靠【l3 1 。消力池中允许加设各种形式辅助消能工的前 提条件是入流流速小于1 6 - - 1 8m s 1 4 】。传统的辅助消能工有趾墩、消力墩、尾 墩、尾坎等，均能很好的改善消能效果【1 5 】。一些新型的辅助消能工有t 型墩、 宽尾墩等( 见图1 1 ) 。一般来说，辅助消能工的作用主要是增加水流内部流速 梯度，改变水跃形态，使消力池中水流出现旋滚而产生强迫水跃，从而达到提 高消能效率、缩短消力池长度的目的。现简单介绍如下： a 趾墩设置在消力池入口，它的作用是分散入池水流，增加水跃区中主 流与漩滚的交界面，加剧紊动掺混作用，提高消能率。一般与其他辅助消能工组 3 合应用。 b 消力墩消力墩是设在消力池中的冲击式消能工。其体型有迎水面垂直 的消力墩、梯形消力墩、矩形消力墩等。通过稳定水跃，降低水跃表面波动，增 加水流的紊动及促进消能。消力墩所设置位置不同，其消能效果也明显不同。 当消力墩设在消力池前部时，对水流的反作用力较大，形成强迫水跃，降低共 轭水深，明显缩短消力池长度和增加水流扩散能力。消力墩设在跃尾，则可将 底部流速挑离河底，从而改善下游流速分布，减小冲刷。消力墩常常会使用2 3 排交错布置的形式，而有研究表明消力墩的阻塞率不能过大也不宜过小，以 5 0 一5 5 为宜【l 们。荆山湖进洪闸在消力池优化设计中采用了添加消力墩的方 案，通过水工试验确定了消力墩的体型尺寸，有效地缩短了池长，概算得出可 节省工程投资约7 7 0 万元【l7 。 c 尾坎和尾墩尾坎基本形式有垂直尾坎、差动式尾坎及反坡式尾坎等。 尾坎和尾墩一般都设置在消力池后部，它的作用是把池末流速较大的底部水流 挑起，改变下游的流速分布，使表面流速大，底部流速小，从而减轻下游河床 的冲刷。常与其他辅助消能工组合使用。 一一短蓼 ( a ) 趾墩、前墩、尾坎 ( b ) 趾墩、后墩、尾墩 ( c ) t 型墩 趾墩前墩后墩 尾坎尾墩 t 型墩宽尾墩 ( d ) 宽尾墩 图1 - 1 低水头辅助消能工示意图 et 型墩【l 8 1t 型墩因在平面上呈t 形而得名，是由垂直于水流的前墩、连接 前墩与尾坎的支腿等部分组成，并利用支腿与尾坎相连而成的辅助消能工。它 与平底消力池相结合，借以形成强制水跃消能的消力池。这种消力池的特点是 能显著缩短池长，提高消能效率。2 0 世纪7 0 年代后，我国先后在湖南的三江1 ：3 水电站、黑龙江的桃山水库等多项工程的消力池中修建了t 型墩。迄今，我国己 修建了数十座t 型墩消力池，工程实践证明，在消力池中设置t 型墩后，可使消 力池长度较平底消力池缩短5 0 一8 0 ，减少建设工程量5 0 一7 0 ，池深亦可 减少1 0 一3 0 【l 引，因而具有很高的经济性和可靠性。 4 ( 3 ) 改变底流消力池的出口条件 这个方案的思想是通过改变消能工的出口水流条件，如扩散、收缩或碰撞 增加消能效果。代表的成果即一些新型的消能工，如底流消能时采用扩散式消 力池、扇形收缩水跃消能【1 9 】，而挑流消能时采用窄缝坎、高低坎等。这里简单 介绍一下扩散式消力池。 扩散式消力池的最显著特征是在流态过渡区域内消力池断面横向扩大。当 泄水建筑物出口宽度较小时，单宽流量十分集中，采用这种形式的消能工可以 减小跃后水深，减少出口单宽流量，有利于能量消散，同时也使得水工建筑物 与下游河道衔接方便。当下游河道水深不足或由于地质条件消力池不宜深挖时， 可考虑采用扩散消力池。 改变出口水流条件的消能工设计方案还体现在一种利用射流来稳定水跃的 消能方式【20 1 。这种消能工相当于在水跃体上施加了一个相反于运动方向的力， 减少了水跃末端的水流深度，使水跃保持在需要的位置稳定下来，从而达到类似 于消力墩的效果。此种消能工还可以控制射流的数量，减少气蚀作用。 ( 4 ) 改变消力池的进水条件 这种思想指导下产生的代表消能方案就是宽尾墩联合消能- - 2 1 , 2 2 。宽尾墩 ( 如图1 1 ) 是指墩尾加宽成尾翼状的闸墩，是我国首创的墩型。宽尾墩本身 不独立工作，但宽尾墩作为闸墩与底流、挑流或面流消能工组成联合消能工后 往往会产生极佳的水力特性和消能效果。宽尾墩使得闸室尾部水面逐渐雍高， 使墩后水流在横向收缩、竖向扩散。水流在收缩和扩散过程中，二元水舌变成 三元水舌。这一方面大大减轻了水流对下游消能建筑物或河道的冲击力，另一 方面使水流与空气接触面增大，并伴有冲击波、水翅、空腔等流态，水流的掺 气和紊动大大增加。而且相邻水股之间及被宽尾墩挑起的水股与贴面水股之间 发生碰撞，水流动能损失很大，消能效果大大增强。 目前宽尾墩在低水头水工建筑物消能上也开始广泛的应用，如重庆鱼剑口 水电站采用了宽尾墩和戽斗消力池的联合消能工【2 3 1 ，铜信溪水电站则采用了宽 尾墩结合消力池的综合消能工布置，消能充分，同时节省了工程投资【2 4 1 。 1 3 3 几种常用的低水头消能工型式 现总结几种目前常用的低水头消能工型式，作为新型消能工的对比或参照 方案，将其各自的优劣比较如下： 1 美国垦务局推荐的矩形平底消力池的定型设计【2 s 1 au s b r 一1 v 型消力池这种池型由趾墩和连续式尾坎组成( 如图1 2 ) ，适用 于中小型工程，当入流的f r 值为2 5 4 5 时，会在池内产生不稳定水跃，水舌间 歇性上下摆动而形成水面波浪，这种池型专为消除这些波浪而设计，它的池长 基本与自由水跃相等，相比传统消力池并没有缩短。 bu s b r - m 型消力池适用于小型泄水建筑物及溢洪道等，要求单宽流量小 于1 8 5 m 2 s ，f r 值大于4 5 或最低限度大于4 0 ，入池流速小于1 5 1 8 m s ，否则流 速过大容易引起消能工的空蚀破坏，这种池型由趾墩、消力墩和连续式尾坎组 成( 如图1 ，3 ) ，设计时趾墩和消力墩无需交错布置。该消能工水跃稳定、运行 良好，且池长一般可缩短为跃长的4 0 。 图1 2u s b r i v 型消力池 图1 3u s b r 型消力池 2 美国s a f 型消力池【2 5 j 当入池佛氏数低于4 o 一4 5 时，由于水跃较弱、消能率低，且水流振荡， 消力池设计比较困难。针对这一情况，b l a i s d e l l 于1 9 4 8 年推荐了s a f 型消力池 2 6 1 ，这种池型也被称为“圣安东尼瀑布”型消力池，适用于f r 值为1 3 4 1 的小型 工程，可缩短池长7 0 以上。该池型布置方式见图1 - 4 ，设计时要求趾墩与消力 墩交错布置。s a f 型消力池广泛地应用于美国中小型水利工程，其设计者经过 3 0 年的反复调查，表示从未发现正确设计的s a f 型池出现运行不正常情况。 3 印度i s i 型消力池口7 j i s i 型消力池为印度标准研究所于1 9 6 9 年的建议池型，是一种同样适用于低 佛氏数消能的有效方式，池长可缩短3 0 ，能够有效的提高效能率和消减跃后 波浪，该池布置形式见图1 5 。 剖面图 图1 - 4 美n i s a f 型消力池体型图1 5 印度i s i 型消力池体型 6 4 b e h a v a n i 型消力池t 型墩消力池f 2 5 】 t 型墩消力池源于印度的比哈戈尼坝( b e h a v a n i ) ，因此也称为b e h a v a n i 型消力池。这种新型的消力池有着缩短池长、提高消能效率、降低池后水深、 消能稳定、经济效益显著、还有适应较大尾水变幅等优点。此外，连续尾坎式 t 型墩消力池的池后浪涌高，底部逆向漩滚强，但如果将尾坎改成差动式，则 可减小消力池后浪涌高、降低消力池侧墙高度，并使尾坎后河床冲刷深度减小， 如我国1 9 9 1 年建设的湖南水酿塘水电站，由于采用了t 型墩差动尾坎消力池， 增强了水股紊动扩散和混掺撞击，河床冲刷较原方案减少3 0 一5 0 ，浪涌降 低6 5 一7 5 ，池后横轴底漩滚消除，消能效果更臻完善【z 引。故本项目中拟定t 型墩消力池参照研究方案同样选取t 型墩差动尾坎消力池。 5 戽斗式面流消能 戽斗式面流消能是通过泄水建筑物尾部形状如戽斗的鼻坎结构，使上游下 泄的高速水流在坎内形成较强烈的水滚，从而消除水流大部分能量，以此达到 消能防冲的目的。与跌坎式面流消能相比，戽斗式面流流态能够下游尾水位的 较大变幅，工程应用前景较好，另外户戽斗式面流一般采用低坎，较跌坎式的 高坎可节省混凝土方量。而相比底流水跃消能，戽斗式面流则有流态稳定、消 能效果相对较好、结构简单、施工方便等优点。因此戽斗式面流在低水头泄水 工程有着定数量的应用。不过这种消能方式也有一些不足之处，这体现在对 下游的冲刷问题、下游波浪的衰减情况和传播距离的负面影响、还有设计时还 要注意避免挑流和回复底流的出现。 传统的戽斗式型式为单圆弧消力戽。为了适应实际水流条件和提高消能效 率，戽斗形态可以在单圆弧基础上加以改进，如差动式消力戽，是在戽斗端部 采用挑角不同的高、低坎间隔布置形成。本项目在戽式消力池的参照方案上， 拟定选取陕西省水利科学研究所推荐的戽底有水平段并带反坡尾坎的戽式消力 池( 如图1 - 6 ) ，这是由于经试验研究证实，这种消能工相比其他戽流布置方式 在消能、尾水波动和下游局部冲深等衡量指标上效果最佳，并且在水流流态上 有着单向稳定性和不易出现回复底流等优点【1 9 】。 图1 - 6 戽式消力池体型示意图 6 宽尾墩联合消能工 宽尾墩联合消能工是我国创立的新型高效消能工。在宽尾墩与其他消能措 施的联合消能工中，由于它的参与，改变了原有的消能机理及消能过程。宽尾 墩的实际作用在于形成堰顶收缩射流，通过多股射流的相互撞击来加大水流的 7 紊动和混掺作用，使更多动能转化为势能和热能从而达到消能目的。相比常规 的平尾墩，进入宽尾墩的水流在水平方向的有效动量被大幅消减、跃后第二共 轭水深显著降低、跃长大为缩短、消能效率大为提高【2 明。宽尾墩的优点同时也 体现在过墩水流掺气抗蚀、结构简单、施工方便和良好的经济效益等方面。 1 4 本文研究的方法和内容 1 4 1 研究方法 本文根据计算流体力学基本原理建立了低水头消能工的数学模型，利用 f l u e n t 计算流体力学软件对不同型式消能工的流场进行模拟，并在下游水流 流态、流速分布、压力分布和消能效率等方面进行对比研究，最终提出一种可 以提高消能效率的新型消力墩体型和布置方案。 1 4 2 研究的主要内容 本论文主要研究低水头、低佛氏数水跃底流消能问题。针对实际工程的低 佛氏数水跃的消能防冲问题，以目前国内外常用的低水头水工建筑物消能工的 方案为参考，设计出一种行之有效的新型消力墩。通过数值模拟试验来验证所 提出新型消力墩的适用性和合理性。本论文研究的具体内容如下： ( 1 ) 以实际工程中存在的低水头消能工为研究对象，通过数值模拟，对几 种国内外常用低佛氏底流消能工在消能效果、流态分布、工程造价等方面进行 对比研究，从而获得消能效果较好的消能工型式，并以此种消能工为研究对象。 ( 2 ) 消力墩是所选综合式消能工的组成部分之一，为了进一步提高消能工 的消能效果，可以修改或设计出几种不同型式的消力墩，并在相同的水力条件 下对这几种消力墩进行了三维数值模拟，在下游水流流速分布和消能效率等方 面进行比较，最后确定新型消力墩的研究体型。 ( 3 ) 在相同的低佛氏数水流条件下，对决定消力墩体型的主要因素：墩高、 墩距和几何因素q 、d 角进行优化设计，最后确定新型消力墩的最佳体型。 ( 4 ) 在不同的低佛氏数水流条件下，对上述新型消力墩进行了三维数值模 拟，并在下游水流流速分布和消能效率方面上与传统的消力墩进行了比较研究， 验证新型消力墩的消能效果，确保它在其他水流条件下的适用性和合理性。 i 5 小结 本章简单介绍了消能工的含义、研究目的、意义和课题来源，并且详细介 绍了低佛氏数水流的特点。通过比较国内外常用消能方式的特点，确定以底流 消能工为研究对象，并且阐述了在低水头水利条件下提高底流消能工消能效率 的工程措施。最后提出了本文研究的主要方法和研究项目的主要内容。 8 第二章紊流数值模拟的理论与方法 2 0 世纪8 0 年代以来，国内外均加强了对数学模型的研究和开发力度，特别 是三维数学模型已进入了实用阶段，目前已经成功模拟了多种复杂边界条件下 三维流场，而且数值计算已广泛应用于水利、航空、海洋、环境、流体机械和 其他流体工程等各个领域。 数值模拟方法在花费较小的情况下能够给出比模型试验较详细的流场内部 的数据资料。只要提供正确的数值模拟的控制方程、边界条件和数值算法等条 件，就可以在较广泛的设计参数范围内较快的给出模型流场内的计算结果，并 且数值模拟不受试验中固有约束条件的影响，因此数值模拟在科学技术研究中 具有很大的优势和发展空间。数值模拟在计算流体力学研究中占有非常重要的 地位，但是要使数值模拟能够为工程设计提供质量高、周期短和可靠的分析数 据，就必须要模拟过程中的每一个步骤，使得其中的边界条件、数值算法等均 是准确和高效，同时要经过实际数据的充分验证和确认，才能保证数值模拟成 果的可靠、实用性。本研究项目采用数值模拟方法，通过总结和比较数值模拟 方法，选出本次研究所采用的紊流模型和数值离散方法，并且阐述了本次模拟 所采用的解算器。 2 1 紊流研究的背景 在实际水利工程中的水流流动大都是紊流流态，可以采用稳流理论处理其 中的流体力学问题。实际工程中存在复杂的水流流动，其中大量待解决得工程 流体力学问题，这是目前的紊流理论和技术无法全部解决的。若不采用紊流理 论，实际工程中有些涉及到流体内部结构的水流流体力学问题就不可能得到较 好的解决，例如水利工程中的高速水流和挟沙水流等问题。 采用紊流理论解决工程中的紊流问题主要分为以下内容【3 0 】：采用紊流模型 ( 双方程模型应用较广) ，来预测实际工程中的一些流体力学问题；利用紊流理 论中比较成熟的概念解释某些局部问题和一些流动现象；根据紊流理论，可提 出一些解决工程问题的新理论和新方法。例如利用流体力学中的紊流边界层理 论研究空蚀问题。 数值模拟属于计算流体动力学的范畴。目前对紊流水流的研究，除研究紊 流基本结构外，还有结合工程中的水力问题对紊流进行研究，这已成为国际紊 流研究的主要方面，如紊流模型、紊流与介质传热等。数值模拟水流流场主要 建立流场的数学模型，对流场的计算域进行剖分、离散，应用计算方法将数学 模型离散，从而构成代数方程组，再利用求解代数方程组的方法来求解离散方 程。 9 2 2 紊流运动的基本方程 无论多么复杂的水力的运动，n s 方程和非稳态的连续方程对于瞬时运动 仍然是适用的。 现引入r e y n o l d s 平均法f 3 ，将任一变量的时间平均值定义为： = 古j + 出啪 式中，上标“一”表示对时间的平均值； 上标”表示脉动值： 这里物理量的瞬时值、时均值及脉动值声之间有如下关系： = 痧+ 矽 现在统计介绍下水流紊流的连续、运动方程f 3 甜。 2 2 1 连续方程 水流模拟采用的连续方程可表示为： 8 u _ _ l ；0 勰 对其进行时间平均得： 互：圈：重+ 重 缸f良，缸f苏j 因u ：= 0 ，时均流动表示式为： a u _ _ 2 l ：0 8 x l 2 ，2 2 运动方程 水流模拟采用的运动方程表示为： 堕帆当：一土鱼+ 甜苎l + e 8 t j 瓠i p 瓠i 8 x i 8 xf l 上式中的f 为单位质量力在i 方向的分量； 将u j = 咆+ u ：和p = p + p 。代入其中得： 判8 t “掣= 弓掣+ 甜剖+ 互 对上式时间平均得： 警+ 巧u 考q 考一吉考+ u 8 x 杀+ z 二+j 二+ ”f o = 一一二+ 一+ f a t 。瓠； j ax?dj瓠硫j i 1 0 ) ) ) ) ) ) 川 川 蛳 柳 其中： 瑶o u ；= 习一瑶 ( 2 9 ) 则： “j 婺= 同 ( 2 1 0 ) “i 2 瓦呼一“j j 旺。 将上式代入式( 2 8 ) 得： 一ou,+iu考一三塑。旦卜考一，p画u8t po x , p o x jj + e ， + ，一= 一一二+ 一一i 甜。一 ；甜；f + ，：l z 1 1 ) 。叙，i 苏，7 叫j 不可压缩紊流时均运动方程即为上式，通常也被称为雷诺方程，本方程与 n s 方程相比较，式中的一, o u l u ? 是紊动对时均流动产生的影响，称为雷诺应力。 雷诺应力的物理意义是紊动所产生的动量传递，这是由于流场中流速分布不均 匀，而后者反映有迁移加速度的存在。 通过推导得到时均紊流的4 个基本方程，1 个连续方程和3 个运动方程，未知 数除3 个时均流速分量和1 个时均压强外，还有6 个雷诺应力( 一p u l u ? 共有9 项， 但因群；甜j = u j u ：，独立变量只有6 个) ，共1 0 个。 由此可见未知量远超过方程的数目，所以需要引入紊流模型来封闭时均紊 流的方程组。 2 3 紊流数值模拟方法 紊流统计理论、非线性理论、非经典介质理论以及其他基础研究近期没有 较高的突破，这使得实际工程上还存在大量的紊流闯题有待解决，因此如今一 般采用n s 方程作为流场数值模拟的基础【3 3 1 。 紊流数值模拟方法一般包含：直接数值模拟法、大涡模拟法、统计平均法 和r e y n o l d s 平均法等，如图2 1 所示： 紊流数值模拟方法 直接模拟法 大涡模拟法 统计平均法 r e y n o ld s 平均法 图2 1 紊流数值模拟方法 2 3 1 直接数值模拟 直接数值模拟可以提供每一瞬间所有流动量在流场上的全部信息，而且可 以对流动条件进行精确的控制和对各种因素单独作用或交互作用进行系统的研 究。 直接数值模拟不仅要求计算区域的尺寸应大到足以包含最大的涡，而且要 求网格的尺度应小到足以分辨最小涡。由此可见该方法计算量太大，如今只能 模拟低雷诺数下简单几何形状的紊流场，无法直接应用于实际工程问题中。直 接数值模拟是直接求解完整的三维非恒定的n s 方程，误差只是由数值方法所 引入的误差，理论上可以得到比较精确的计算结果【3 4 3 5 】。 2 3 2 大涡模拟 大涡模拟主要是放弃对全部尺度范围内旋涡运动的模拟，只对大尺度旋涡 运动通过数值求解n s 方程直接计算出来，小尺度运动对大尺度运动的影响通 过建立模型来模拟。 要实现大涡模拟，首先是要建立一种数学滤波函数，从紊流瞬时运动方程 中将尺度比滤波函数尺度小的涡滤掉，从而分解出描写大涡流场的运动方程， 而被滤掉的小涡对大涡运动的影响则通过在大涡流场的运动方程中引入附加应 力项来体现。该应力项好比r e y n o l d s 平均法中的r e y n o l d s 应力项，而建立这一 应力项的数学模型，就是要完成的第二个环节的工作。 大涡模拟费用上比直接数值模拟少，但是对多数工程问题而言，其对计算 资源的占用仍然是巨大的。 2 3 3 统计平均法 统计平均法是用相关函数及谱分析的方法来研究紊流结构，并且统计理论 主要涉及小尺度涡的运动，该方法主要基于水流的紊流相关函数的统计理论。 这种方法在实际工程上应用不很广泛，所以不必进行详细介绍，若有兴趣的读 者可参阅文献 3 6 】。 2 3 4r e y n o l d s 平均法 瞬时的n - s 方程可以用于描述紊流，但是n s 方程的非线性使得精确描写三 维时间相关的全部细节极端困难，研究人员就想到了求解时均化的n s 方程， 通过某种模型在时均化的方程中体现出来瞬态的脉动量，因此随即有了 r e y n o l d s 平均法。 r e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是想方设法求解时 均化的r e y n o l d s 方程，这样一来不仅可以避免计算量大的问题，而且对实际工 程中的应用获得了较好的效果。目前使用最为广泛的紊流数值模拟方法主要是 r e y n o l d s 平均法【”】。 r e y n o l d s 应力项一p u l u ：是雷诺方程中的新未知量。现通过建立应力的表达 式和对r e y n o l d s 应力作出某种假定来使得方程组封闭，并且以此把紊流的脉动 值与时均值联系起来。 r e y n o l d s 平均法在求解整个n s 方程中，紊流尺度都是建立在模型的基础 上，相比以上三种方法是其中最缺乏逻辑严密性的方法，但是在实际流体工程 1 2 中的应用却是最多的。根据对r e y n o l d s 应力作出的假定或处理方式不同，目前 常用的紊流模型有两大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型，如图2 2 所示。 图2 - 2 雷诺平均紊流模型 2 3 4 1 涡粘模型 涡粘模型方法是引入紊动粘度而不直接处理r e y n o l d s 应力项，再把紊流应 力表示成紊动粘度的函数，整个计算过程的关键在于确定这种紊动粘度，其来 源于b o u s s i n e s q 提出的涡粘假定【3 8 1 ，即为： 一厩私 考+ 等) - ；( 础+ 所等p c 2 m ， 式中：鸬一紊动粘度。 胁时均速度； 6 镕一“k r o n e c k e r d e l t a 符号； 尼一紊动能：k ：华。 紊动粘度取决于流动状态，这主要由于其是空间坐标的函数。由此可见， 引入b o u