【摘 要】
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我国西南、西北大型水电工程多数位于高山峡谷地带,水头高,泄量大,坝身不能承担全部的泄洪工作,尤其是日益兴建的面板堆石坝,一般需在岸边修建泄洪洞。作为电站枢纽工程中泄
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我国西南、西北大型水电工程多数位于高山峡谷地带,水头高,泄量大,坝身不能承担全部的泄洪工作,尤其是日益兴建的面板堆石坝,一般需在岸边修建泄洪洞。作为电站枢纽工程中泄水建筑物防蚀消能设施的核心部分,传统泄洪洞消能率不高,流速大,出口雾化严重。考虑到当前水电工程对生态环境的影响已经成为衡量工程可行性的一个制约指标,其中一种趋势是把泄水建筑物的消能任务从洞外推到洞内,除了满足基本的泄量要求,同时还应兼顾防空蚀、保护生态和减少投资的目的。生态环境友好型的洞内旋流消能工是目前泄洪消能领域一个重要的研究热点和方向。本文所研究的新型旋流环形堰竖井泄洪洞属于一种典型的内消能工,它脱胎于传统的环形堰竖井泄洪洞,但在整个泄洪洞水流流态和消能防蚀机理上又完全是另辟蹊径。作为一种新型布置形式的消能工,其水力学特性并不是十分清楚,传统的模型试验方法仍难以揭示其复杂的水流特性,因此有必要开展新体型下水流的数值模拟和特性分析,这对成果的进一步推广应用具有深远的意义。依托于广东清远抽水蓄能电站下水库泄洪洞工程,利用Fluent计算流体力学软件,基于RNG k-ε双方程湍流数学模型,并结合VOF(Volume Of Fluid)方法,对下库旋流环形堰竖井泄洪洞进水口、竖井旋流泄洪洞、出口的复杂水流进行了三维数值模拟。主要研究内容包括:1)旋流环形堰竖井泄洪洞水流数值模拟及特性分析;2)潜水起旋墩的水力学机理、布置原则和流动特性计算;3)计算环形堰竖井空腔螺旋流合成速度和压力;4)洞内自掺气压力消能工的消能特性、结构特性等。模拟结果表明,本文的模型和算法能够较好地模拟具有高紊动、强离心力效应和强旋转并带有自由表面的环形堰竖井螺旋流运动。模拟所获得的该新体型旋流空腔流态、自由水面、合成流速、压力、紊动能、耗散率和总消能率等水力要素分布规律与模型试验成果符合良好,进一步揭示了自调节潜水起旋墩的旋流运动机理,完善了新型旋流环形堰竖井泄洪洞的设计理论和水力特性的计算方法,为今后该新型消能工的进一步推广应用提供了科学依据。
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