低水头泄水建筑物消能措施数值模拟

低水头水工建筑物由泄水闸坝及引水渠道等建筑物组成,具有水头低、流量大、弗氏数低、深尾水及消能率低等特点。分析研究表明,在Fr<4.5时,消能率一般仅为20%~45%,大量能量被水流带向下游,使下游河道水流紊动强烈、波动大、消能防冲困难。另一方面,泄水建筑物的费用一般占整个大坝建设费用的40%~50%,而消能防冲设施的费用占泄水建筑物费用的40%~50%。因此,泄水建筑物的形式和合理布置就成为一个制约性的重要技术问题。提高低佛氏数水跃的消能率,解决低水头泄水建筑物的下游消能防冲问题,无论从技术还是从经济上来讲都是非常重要的。在水电工程建设中,对泄水工程水力特性的研究主要是借助物理模型试验和数值分析方法。物理模型试验方法成熟,其过程与实体水流更接近,得到的测量数据最可靠;数值分析方法速度快、适应性强,便于设计方案的比较。两种方法各有优缺点,因此,物理模型和数学模型的结合,成为解决水利工程泄流问题的重要手段。本文以典型的低水头水利枢纽:横丹水电站工程为研究对象,通过水工整体模型试验和FLUENT软件对横丹水电站工程泄流能力、建筑物中的水流流动信息、建筑物体型优化及枢纽下游消能防冲等问题进行了试验研究及数值模拟计算。数值模拟数据同模型实测数据吻合良好,说明数值模拟采用的模型合理,方法正确,可为实际工程的设计和研究提供一种科学的、便捷的途径。利用FLUENT软件,建立了数值模拟区域,采用非结构化网格和隐式算法,以标准的k—ε湍流模型封闭Reynods方程,采用VOF法追踪自由水面,对提高低水头泄水建筑物消能率的几种辅助消能措施:波浪形底板消能工、低坎分流墩、美国垦务局水工试验室提出的USBRⅢ型定型消力池和T型墩+趾墩消能工进行了数值模拟,预测了流场内各种水流现象、水流结构,分析了消能形式的合理性,并与横丹水电站原型消能工进行了纵向比较,结果表明:低坎分流墩消能工和波浪形底板消能工对低水头、低Fr数水跃消能有较好的效果。在实际工程应用时,可根据工程具体情况,为其选择一种技术可行、安全可靠、消能效果好、经济合理的辅助消能措施。

低水头; 辅助消能措施; 物理模型试验; 三维数值模拟; k—ε紊流模型; VOF方法;

张根广;

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