白鹤滩导流洞对冲消能水力学数值模拟研究

论文摘要

为了提高白鹤滩水电站导流洞射流对撞的消能率,使下游河道水流平顺,冲坑位于河道中央,出口下游两岸边坡无淘刷,本文利用洞群整体数模计算了白鹤滩导流隧洞六条洞方案的水流特性。模拟条件:总泄力19000~30000m3/s范围内五级流量,以及有、无溪洛渡回水影响两类下游水位条件;计算网格:节点总数90万等级的细网格与25万等级粗网格两套系统。为确保计算精度,严格地率定了数模参数,且采用糙率扰动法检验导洞沿程损失的模拟效果。六条洞方案的整体特性。得到了各研究工况下各条导流洞的泄流能力,总泄力随水位的变化关系,以及左、右岸的泄力;获得了各条导流洞的水头损失,总能头与压强的沿程变化规律,以及水头损失的各流区分配状况。导洞摩擦阻力在两岸泄力非对称度上起决定性作用。原设计方案在导洞口淹没条件下水流特性整体上基本正常,没有发现严重的恶性流态。但存在两类不利流态:上游河道进流区发生反向流动,部分导流洞呈背流取水态势;#1和#6导洞出流导渠轴线的交点偏右侧过多,射流对撞点紧贴右岸岸坡,冲击力很大。河道流态与射流对撞消能。各导洞进流基本顺畅,上游河道没有大规模回流,进流区损失占总损失约7.5%。进口漏斗涡不强,上游围堰近区流态较安全,壅高小于0.2m。#1和#6导渠呈迎流取水,而#4导渠以及#3、#5导渠有背流取水之势,导渠口门易发生流动分离。下游河道因受涡流控制表现极为复杂:射流对撞产生的两类泼溅流和纵轴涡系控制着水流流势、消能效果与流速剖面沿程调整。出流区水面上可形成波幅1.3~3.8m的孤立驻波,两河岸发生壅高;各级射流对撞稳定,但对撞点逐级地偏向右岸;对撞区下游500m范围是一个消能区;低出口导流洞口门外表层水流中发生大尺度横轴涡流,可引起流速与水位的脉动。下游围堰近区流态平稳,流速小,冲刷力不强;下游河道流势稳定、主流贴靠右岸,断面最大流速很高、冲刷力强。设计改进建议。应该调整出流导渠轴线的方向,以保持各级射流对撞点位于河心,减小射流对河岸的冲击力;下游河道流速很高,适当的河岸防护措施是必要的;应设法消除或减缓进水区反向流影响,尽量避免背流取水。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 对冲消能的研究意义及课题来源
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 对冲消能的研究现状
• 1.2.1 上下两侧碰撞消能研究现状
• 1.2.2 左右两侧碰撞消能研究现状
• 1.3 本文的主要工作内容
• 1.3.1 紊流模拟原理
• 1.3.2 研究的主要内容
• 1.3.3 研究的技术路线
• 第2章 工程概况与模拟研究工况
• 2.1 工程概况
• 2.2 数值模型的基本理论与技术要点
• 2.2.1 弱压缩流模型与双曲解法
• 2.2.2 涡粘度计算方法
• 2.2.3 基本离散技术
• 2.2.4 边值与初值算法
• 第3章 洞群整体数模的设计要点
• 3.1 计算域选取与模拟重点
• 3.2 计算分区与子块网构造
• 3.3 网格分划与预处理
• 3.4 子区接口技术要点
• 3.5 洞群整体三维流场的模拟
• 3.6 整体数模设计小结
• 第4章 数模率定与精度评估
• 4.1 壁面粗糙度与导洞损失的估算
• 4.2 计算收敛性及其判据
• 4.3 数模参数的率定
• 4.4 洞壁粗糙高度的检验
• 4.5 小结
• 第5章 回水影响工况的对冲消能
• 5.1 流动总体特征与两岸泄力的对称性
• 5.2 上游河道区的水流特性
• 5.3 射流对撞消能与导洞出流区特性
• 5.3.1 射流对撞消能与泼溅流
• 5.3.2 各条导流洞的出流导渠
• 5.3.3 出流区的能量损失
• 5.4 下游河道区的水流特性
• 5.5 小结
• 第6章 无回水影响工况的对冲消能
• 第7章 结论与建议
• 7.1 六条洞方案的整体特性
• 7.2 河道流态与对撞消能
• 附表
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果