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开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究

张文皎 刘磊 武彩萍 吴腾 罗立群 胡能明

张文皎,刘磊,武彩萍,等. 开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210609001
引用本文: 张文皎,刘磊,武彩萍,等. 开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210609001
(ZHANG Wenjiao, LIU Lei, WU Caiping, et al. Study on hydraulic characteristics simulation and optimal layout of open wide single chute spillway[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210609001
Citation: (ZHANG Wenjiao, LIU Lei, WU Caiping, et al. Study on hydraulic characteristics simulation and optimal layout of open wide single chute spillway[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210609001

开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性及优化布置研究

doi: 10.12170/20210609001
基金项目: 十三五国家重点研发计划项目(2017YFC0405204);国家自然科学基金资助项目(51709124);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(HKY-JBYW-2020-18)
详细信息
    作者简介:

    张文皎(1989—),女,河南临颍人,高级工程师,博士,主要从事工程水力学等研究。E-mail:wjzhang2006@163.com

    通讯作者:

    刘 磊(E-mail:liul.20b@igsnrr.ac.cn

  • 中图分类号: TV651.1

Study on hydraulic characteristics simulation and optimal layout of open wide single chute spillway

  • 摘要: 开敞式宽大单泄槽溢洪道与一般溢洪道相比易发生水流流态复杂、掺气效果差等工程安全问题。以马来西亚Baleh水电工程为例,采用VOF法与RNG k-ε双方程紊流模型对溢洪道流场进行三维数值模拟。计算分析了不同工况下溢洪道流态、流速、沿程压强等水力特性的分布规律。同时开展1∶50物理模型试验,经对比分析数值模拟结果与模型试验结果基本一致,验证了开敞式宽大单泄槽溢洪道水力特性数值模拟的准确性与可行性。进而利用紊流模型详细计算分析了溢洪道掺气坎的优化布置方案,结果表明:1#掺气坎抬高20 cm后,坎后掺气空腔长度由11.03 m增大至19.84 m,消能率增大约1倍;3#掺气坎沿泄槽陡坡上移15 m后,挑流水舌冲击位置上移,减轻了对挑流鼻坎段水流流态的影响。研究结果对同类工程的优化设计有一定的借鉴作用。
  • 图  1  溢洪道掺气坎细部图(单位:mm)

    Figure  1.  Detail drawing of spillway aerator (unit: mm)

    图  2  溢洪道整体布置

    Figure  2.  Overall layout of spillway

    图  3  三维模型示意

    Figure  3.  3D model sketch

    图  4  沿程流态模型试验与数值模拟对比

    Figure  4.  Comparison of flow pattern between physical model and numerical model

    图  5  模型试验沿程流速

    Figure  5.  Flow velocity of model test

    图  6  沿程流速模型试验与数值模拟对比

    Figure  6.  Comparison between simulated and experimental flow velocity

    图  7  模型试验沿程压强

    Figure  7.  Pressure of model test

    图  8  沿程底板压强模型试验与数值模拟对比

    Figure  8.  Comparison of simulated and experimental pressure values

    图  9  沿程消能率模拟值与试验值对比

    Figure  9.  Comparison of simulated and experimental energy dissipation rate

    图  10  1#掺气坎优化体型示意(单位:mm)

    Figure  10.  Schematic diagram of optimized shape of 1#aerato (unit: mm)

    图  11  优化前后溢洪道水面线分布对比

    Figure  11.  Comparison of spillway water surface profile distribution before and after optimization

    表  1  试验及数值模拟工况

    Table  1.   Test and numerical simulation conditions

    组次洪水
    频率/%
    溢洪道
    泄水量/(m3·s−1)
    库水位/
    m
    下游
    水位/m
    溢洪道闸门
    Z1 20 2 442.2 221.24 47.392 5孔局开
    Z2 10 2 701.6 221.32 48.010 5孔局开
    Z3 1 3 153.1 221.45 49.049 5孔局开
    Z4 0.2 3 384.4 221.52 49.547 5孔局开
    Z5 0.1 3 842.2 221.65 50.531 5孔局开
    Z6 0.01 12 014.1 223.42 64.080 4孔全开关右边孔
    Z7 0.01 12 014.1 223.42 64.080 4孔全开关中孔
    Z8 0.01 13 546.9 223.11 66.135 5孔全开
    Z9 PMF 16 353.0 224.83 69.536 5孔全开
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    表  2  沿程泄槽段消能率

    Table  2.   Energy dissipation rate of chute section along the way

    工况断面1(CH83.196)断面2(CH248.000)总能差/m消能率/%
    断面总能/m平均水深/m平均流速/(m·s−1)断面总能/m平均水深/m平均流速/(m·s−1)
    Z5物模 148.27 2.75 25.07 75.96 1.75 35.55 72.31 48.77
    Z5数模 140.45 2.65 21.S84 82.00 6.37 35.94 58.45 41.62
    Z8物模 149.05 7.42 23.50 136.58 3.13 49.23 12.47 8.37
    Z8数模 146.08 6.24 22.74 133.67 7.93 47.67 12.41 8.50
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    表  3  掺气坎下游沿程掺气浓度物理模型量测结果

    Table  3.   Aeration concentration along downstream aerator

    1#掺气槽2#掺气槽3#掺气槽
    桩号掺气浓度/%桩号掺气浓度/%桩号掺气浓度/%
    Z5工况Z8工况Z5工况Z8工况Z5工况Z8工况
    CH100.929 39.0 5.0 CH175.480 89.5 85.8 CH227.682 82.0 92.9
    CH110.439 31.0 1.8 CH183.162 78.5 73.5 CH235.364 76.0 83.5
    CH119.825 27.0 1.5 CH190.845 67.0 39.0 CH248.000 89.0 59.0
    CH129.236 19.5 1.4 CH198.527 63.0 22.0 CH261.382 83.0 15.7
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    表  4  优化前后沿程泄槽段消能率

    Table  4.   Energy dissipation rate of chute section before and after optimization

    工况断面1(CH83.196) 断面2(CH248.000)总能差/m消能率/%
    断面总能/m平均水深/m平均流速/(m·s−1) 断面总能/m平均水深/m平均流速/(m·s−1)
    Z8 146.08 6.24 22.74 133.67 7.93 47.67 12.41 8.50
    Z8优化方案 149.32 6.50 23.99 119.05 4.77 45.55 30.27 20.27
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-09
  • 网络出版日期:  2022-05-31

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