高水頭充分擴散摻氣射流下消力塘的數(shù)值模擬.pdf

1、摻氣分流墩和消力塘聯(lián)合應用是一種新型的消能工。二十世紀九十年代,在國家自然基金的資助下,對高水頭充分擴散摻氣射流下消力塘進行過水工模型試驗,本課題在此基礎上,利用 Fluent軟件對該模型進行數(shù)值模擬,進一步深入了解摻氣分流墩設施的水力特性,以便推廣應用。
　　根據(jù)試驗模型,用RNG k-ε模型和PISO算法,利用VOF法捕捉自由液面,采用結構和非結構網格對摻氣分流墩和消力塘聯(lián)合應用進行數(shù)值模擬。
　　數(shù)值模擬主要進行了摻氣

2、分流墩水流流態(tài)、水舌的擴散特性、墩頭壓強特性、消力塘壓強特性、水舌流速等值線分布、消力塘流速分布、消力塘的紊動能和紊動耗散率以及消能效果的研究,并將研究結果與模型試驗進行對比。
　　水流通過摻氣分流墩時分為齒墩流態(tài)和摻氣分流墩流態(tài),二者的區(qū)別在于齒墩流態(tài)墩頭淹沒于水面以下,而摻氣分流墩流態(tài)墩頭高于水面。摻氣分流墩水舌為充分擴散的摻氣水舌,水舌厚度沿程增大。模擬了最大射距和最小射距,給出了最大射距綜合修正系數(shù)。模擬了消力塘的水面線,

3、其變化規(guī)律與模型試驗基本一致,但水深高于模型試驗的水深。
　　摻氣分流墩墩頭最大壓強發(fā)生在墩頭迎水面,沿墩頭方向壓強逐漸減小,約在xi/Ld=0.5附近,開始出現(xiàn)負壓,在xi/Ld=0.87處,負壓最大,到墩尾,負壓又有所減小。沿墩高方向,最大壓強發(fā)生在墩頭迎水面距墩底 hi/hd=0.395~0.415之間,墩頭側面最大負壓發(fā)生在hi/?=0.85附近。在齒墩流態(tài)情況下,墩頭頂部有負壓存在,該負壓對分流齒墩的應用至關重要。墩頭的

4、壓強系數(shù)在xi/Ld=0時最大,隨著xi/Ld的增大,壓強系數(shù)迅速減小,約在xi/Ld=0.4~0.5附近,壓強系數(shù)變?yōu)樨撝?在xi/Ld=0.87附近,壓強系數(shù)達到最小,隨后有所回升。
　　消力塘最大壓強發(fā)生在水舌落點處,來流量越大,相對最大壓強越大。在落點處前后壓強等值線圖變稀,壓強逐漸變小。數(shù)值模擬所得到的相對最大壓強變化趨勢與模型試驗一致,但其值略小于試驗值。當消力塘尾部設臺階時,由于消力塘有水墊,沖擊點壓強略小于無水墊時

5、的壓強。
　　消力塘后部臺階上的壓強在1號臺階底部最大,在臺階凸角附近,壓強有所降低,但降低幅度不大,沿臺階水平面和豎直面越往后,壓強越平穩(wěn),整個臺階未發(fā)現(xiàn)負壓。
　　摻氣分流墩墩頭頂部到底部流速逐漸減小,繞墩頭流動的水流流速沿程逐漸增大,離邊壁越遠,繞墩頭流動的流速越大。拋射水流的流速在重力作用下沿程不斷增大。消力塘內流速分布具有相似性,在h’/h為0.06附近流速最大,然后沿水深逐漸減小。臺階上的相對流速分布仍具有相似性