平板闸门小开度流量系数研究与闸后水流数值模拟分析

论文摘要

随着“十二五”国家对水利事业的高度重视以及水电事业的蓬勃发展和巨型水电站的兴建,水头高、流量大已成为许多在建和拟建的大中型水利工程的共同特点之一。于是在高水头、大流量情况下,向下游提供小流量的生活、工业或灌溉用水问题变得格外突出。这就出现了高水头闸室闸门小开度运行的问题。高水头和一般水头水电站有着本质的区别。我们按照常规的设计原则和方法设计一座高为50m的大坝,假设其泄水隧洞能够安全运行,若将坝高加至200m,这时同样的泄水隧洞就不一定能够保证安全运行了。因此如何在高水头情况下既保证泄水建筑物的安全运行同时又能满足下游用水需求是当前值得我们深入研究的问题。许多水电工程,泄水建筑物的闸门形式以平板闸门和弧形闸门两种形式为主。不同的闸门形式闸门前后水流流态也不同。闸前有长有压段隧洞水流流态不同于闸前有短有压段隧洞的水流流态,在计算泄水建筑物泄流能力时不能混淆使用闸门流量系数的计算公式。另外,对于高水头平板闸门开度小于30%,下泄小流量时,由于水流受到闸门槽和闸前垂直收缩的影响,闸后水流流态会变得较为复杂。目前对闸后水流流态的研究没有考虑闸门槽的影响,因此采用现有的公式计算高水头闸门小开度下泄流量结果与实测流量相差较大。这更加说明研究高水头闸门小开度泄水隧洞下泄流量以及闸后水流特性在理论和实际中意义重大。本文根据实测试验数据结合相关资料,综合考虑闸孔出流流量系数各影响因素,拟定了闸前有长有压段闸后自由出流的平板闸门流量系数计算公式,并对平板闸门闸后水流的沿程水力要素进行了计算分析,在此基础上推导出闸前有长有压段闸后自由出流的平板闸门闸后收缩水深计算公式以及收缩水深位置计算公式。并对有闸门槽影响时的闸后水流水力特性进行研究,得出了闸后水流初始速度及扩散角的计算方法。大多数水电工程,对于较高水头的泄水隧洞多采用平板闸门和弧形闸门相结合的形式控制下泄流量。本文中的模型试验也是使用这种形式控制下泄流量的。本论文主要研究泄水隧洞的泄水闸采用平板闸门的形式。本论文的主要研究内容为：闸门出口处水流特性(本文研究的是流量系数),闸后无压隧洞段的水流水力特性(本文主要研究的是闸后无压段水流流态),水力特性指的是高水头平板闸门小开度运行时闸后水流流态。目前国内很多对于这种平板闸门小开度运行闸后水流特性的研究,但缺乏系统的基础性研究,特别是闸后水流流速大小及分布、紊动能分布以及紊动耗散率分布等方面的研究几乎为空白。2010年西南地区发生特大干旱、多数省市遭受洪涝灾害、部分地区突发严重山洪泥石流,这些灾害再次警示我们加快水利建设刻不容缓。随着科学技术和计算机技术的飞速发展,现代水力学的研究方法发生了很大的变化。理论分析、试验研究和数值模拟逐渐成为研究水力学的三大基本手段,尤其是计算流体力学在水利工程中获得了广泛的应用,取得了较好的成绩,得到了工程界的一致认可。本文是以云南省自然科学基金项目(2006E0018M)《高水头闸室闸门小开度水流特性研究》的试验研究为基础,对影响平板闸门小开度流量系数的主要因素进行了研究,并对高水头平板闸门小开度流量系数的计算进行了理论分析。采取物理模型试验的方法,通过改变闸前水头、闸门开度,对闸后无压段水流流态进行观测。然后通过数值模拟的方法,分析单独改变上述因素对闸后水流流态的影响。并将理论分析、试验结果和数值计算结果进行对比,以验证数值模拟在水利水电工程计算中的可行性与正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 平板闸门小开度流量系数研究意义
• 1.4 数值仿真研究现状及研究意义
• 1.5 本文主要内容及研究方法
• 1.6 本章小结
• 第二章 试验简介
• 2.1 引言
• 2.2 模型设计及构成
• 2.3 试验工况确定及数据测量方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 平板闸门小开度水流特性的试验研究及理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 流量系数基本概念及计算原理
• 3.3 平板闸门水流条件分类及定义
• 3.4 常规流量系数计算方法介绍
• 3.5 平板闸门闸前有长有压段闸后自由出流流量系数的研究
• 3.6 无闸门槽时闸后水流特性研究
• 3.6.1 儒可夫斯基公式求闸后收缩水深
• 3.6.2 其他前人对闸后收缩水深的研究
• 3.6.3 泄水隧洞闸后收缩水深及其位置确定
• 3.6.3.1 闸后收缩水深经验公式拟定
• 3.6.3.2 闸后收缩水深位置公式拟定
• 3.7 有闸门槽时闸后水流特性研究
• 3.8 闸后水流初始速度及扩散角研究
• 3.9 本章小结
• 第四章 平板闸门小开度数值仿真研究方法
• 4.1 引言
• 4.2 数值仿真的方法
• 4.2.1 RNG k-ε双方程紊流模型理论
• 4.2.2 数值计算方法
• 4.2.3 网格及网格生成
• 4.2.4 计算方法
• 4.2.5 自由液面处理方法
• 4.2.6 边界条件
• 4.2.7 模型的建立
• 4.2.8 网格建立及边界条件设置
• 4.3 本章小结
• 第五章 平板闸门小开度闸后水流特性数值模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验结果与数值计算结果分析
• 5.2.1 试验数据分析
• 5.2.2 数值计算结果分析
• 5.3 试验结果与数值计算结果对比分析
• 5.3.1 自由水面线对比分析
• 5.3.2 流速对比分析
• 5.4 数值模拟成果分析
• 5.4.1 紊动能及耗散率分布情况
• 5.4.2 改变闸前水头对闸后水流特性的影响分析
• 5.4.3 改变闸门开度对闸后水流特性的影响分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（硕士期间发表的论文及参与的科研项目）