（水利工程专业论文）泄水建筑物控制转换段水力特性与体型优化研究.pdf

摘要 论文题目：泄水建筑物控制转换段水力特性与体型优化研究 学科专业：水利工程 研究生：许文海 指导教师：陈刚教授 李国栋副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 明流溢洪道( 洞) 是水利水电工程常用的溢流设施，由于布置的需要，引水渠往往存 在一定程度的平面转向，这就导致水面产生不同程度的横向比降，甚至出现漩涡，如果其 影响达到下游泄槽急流段，还有可能产生急流冲击波，致使水流自由水面波动，直接威胁 泄水建筑物乃至大坝的安全。 对于弧门闸门广泛采用的偏心铰和伸缩式水封方案，都要求门座侧向突扩，底部突跌， 从而将闸门止水与掺气设施有机地结合起来。水流离开门座射出有压洞口后四周悬空，并 沿水平与垂直两个方向扩散，与侧边墙间形成侧空腔，与跌坎下底板间形成底空腔，底侧 空腔相互贯通成为有效的掺气通道，对下游周壁形成保护，但是水流冲击侧墙产生的水翅， 以及冲击反射产生的低压区，也会恶化流态，甚至引发空化空蚀问题。 本文在回顾总结前人研究的基础上，结合九甸峡水利枢纽工程，对双洞式明流岸边溢 洪道和弧形闸门突扩突跌水流衔接控制转换段的复杂流动进行了数值模拟和试验研究，主 要研究内容和成果有： ( 1 ) 采用k 一两方程紊流数学模型和v o f 自由表面模拟技术，对双洞式溢洪道联合 泄洪情况下库区、引水渠、溢流段和陡槽内的三维自由面流动进行了数值模拟研究。模拟 得到了流速、压力分布等水力学参数，揭示了进口区域自由水面的扭曲形态把改善迸口 不良流态，消除堰顶较大负压，平衡两洞间流量分配作为目标，针对溢洪洞入口地形陡峭 且入口水流存在平面急剧转向的情况，提出了“椭圆曲线翼墙+ 悬臂直墙”的进口整流方 寨。通过数值模拟和模型试验的联合应用获得了理想的进水口体型与溢流堰曲线形式。 ( 2 ) 通过常压模型试验，对弧形闸门突扩突跌段的水力特性进行了研究结果表明。 原设计方案压力洞出口顶板和明渠段存在负压，侧堵水翅高，明渠中水流不稳，流态差， 水流空化数偏低，底空腔偏小，水流掺气能力不足。针对存在的这些问题，提出了两种体 型改进方案。 ( 3 ) 对两种改进方案进行了常压模型试验研究。观测测量的结果包括水流流态，水翅 范围高度，底侧空腔长度，清水区范围，底板侧墙压力分布，水流空化数及掺气性能等。 趋啦塑 西安理工大学博士学位论文 通过对比分析，探讨了各体型变化要素对突扩突跌段水力特性的影响，特别是侧扩宽度对 侧墙压力分布、清水区范围及水流流态的影响，从冲击反射压力最小的角度提出了最不利 侧扩宽度的概念。在局部开启试验中，开度0 7 5 时流态很差，而0 5 开度时，侧墙存在 一定范围的负压域，且空化数较小，表明特定的局部开启工况可能使特定流动要素处于最 不利的情况。 ( 4 ) 针对弧形闸门突扩突跌段侧墙存在清水区易于发生空蚀破坏的问题，通过减压模 型试验对其空化特性进行了研究。通过空化噪声谱声压级差及噪声能量分析得出的两种改 进方案的空化特性与常压试验以水流空化数为判据的结果并不完全对应，表明侧墙冲击反 射区内的空化机理比较复杂，对其进行了初步的探讨。 ( 5 ) 研究了多级水位、不同开度及存在多种尺度凸体时侧墙的空化特性。结果表明， 对于侧扩肋- 0 5 m 方案，设计水位为最不利水位。对于侧扩曲- 0 8 m 方案，正常水位 为最不利水位，且在闸f - j0 5 开度时，最易于发生空化。壁面存在凸体时水流噪声谱声压 级和相对噪声能量大幅增加。当凸体高度超过0 8 c m 时，各级水位下水流均发生空化或 初生空化，表明侧墙空化特性对不平整度比较敏感。 ( 6 ) 对有压泄洪洞弧形闸门突扩突跌出口段三维流动进行了数值模拟，获得了空腔形 态、侧墙水翅、压力分布等参数，探讨了空腔冲击点涡旋对气流的吸卷作用，并研究了空 腔的回水特性。数值模拟表明在底板和侧墙的冲击点附近会各形成一个强的涡旋区，在底 板该涡旋卷入空气，形成下游的掺气水流，在侧墙该涡旋可能成为诱发空化的空化源。通 过与模型试验数据对比，分析了数学模型对有压泄洪洞弧形闸门突跌突扩出口段复杂流场 的预测能力。 关键词：泄水建筑物；突扩突跌；数值模拟；掺气减蚀；体型优化 n t i t l e ：s t u d yo nf l o w sa n dd e s i g no p t i m a t i o no f c e n t r e ls e c t i o nf o r f 灯e rd i s c h a r g es t r u c u r e s m a j o r ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g n a m e ：x uw e n h a is i g n a t u r e ：丝幽； s u p e r v i s o r ：c h e ng a n g i i g u o d o n g s i g n a t u 怕：么毖必幺 s i g n a t u r e ：乞f 血2 区i ； a b s t r a c t t h ec h u t eo rt u n n e ls p i l l w a yi sm o s to f t e nu s e d w a t e rd i s c h a r g es t r u c t u r ei nh y d r o p o w e r p r o j e c t s ，a l o n gw h i c ht h ef l o wi su s u a l n o ta l i g n e dw i t ht h eg a n e f a ld i r e c t i o no f t h ef l o wi nt h e r e s e r v o i ro w i n gt ot h el i m i to ft e r r a i n t h i sm a yl e a dt o 扛a u s v e l s 圯g r a d i e n to v e rf r e ew a t e r s u r f a c e ，a n do v e ns t r o n gv o r t e x i ft h ea c t i o nr e a c ht ot h es u p e r c r i t i c a lf l o ws e c t i o nd o w n s 仃e a m d i s c h a r g ec h u t e , t h e r em a y 舯e d u c e s h o c kw a v ei nw a t e r 翻h t a o e w h i c hm a yd i r e c t l yt h r e a tt h e s a f e t yo fd i s c h a r g es t r u c t u r ei t s e l fa n de v e nd a m e c c e n t r i ch i n g ea n ds i d ee x p a n s i o nw a t e rs e a lf o ra r cg a t eb o t hr e q u i r ea b r u p te n l a r g i n gi n g a t es e a ta n db o t t o m , s oc o m b i n i n gg a t es e a la n da e r a t i o nd e v i c e se f f e c t i v e l y a f t e rt h ef l o w l e a v i n gf r o mg a t es e a ta n de j e c t i n go u tf r o mp r e s s u r et u n n e l ，i td i f f u s e sa l o n gt h eh o r i z o n t a la n d v e r t i c a ld i r e c t i o n s 。a n df o r m ss i d ec a r r i e sw i t hs i d ew a l la n db o t t o m v i 吐酷w i t hb o t t o m t h e b o t t o mc a v i t i e sa n ds i d ec a v i t i e sm u t u a l l yc o m p l e m e n t , t u r n i n gi n t oe f f e c t i v ea e r a t o rw h i c h p r o t e c t st h e 蟛dw a l li nd o w n s t r e a m b u tt h ew a t e r - w i n gg e n e r a t e d 幻mi m p a c t i o nb 翻t w e c n f l o wa n ds i d e w a l l ，a n dt h el o wp r e s s u r eg e n e r a t e df r o mi m p a c te c h om a yw o 墙e ut h ef l o w p a t t e r n , e v e nl e a dt oc a v i t a t i o n i nt h i st h e s i s , t h ec o m p l e xf l o wi nc o n t r o ls e c t i o n so fb o t hb i - t u n n e ls p i l l w a y sa n da b r u p t e n l a r g i n ga n da b r u p tf a l l i n gs e g m e n to f a r cg a t ea r ei n v e s t i g a t e d w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d m o d e lt e s t t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d i e sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) 1 kf r a c t i o n a lv o l u m eo ff l u i dm o d e la n dt h ek - et u i b u l e n c em o d e la r eu s e dt os t u d y t h et h r e ed i m e n s i o n a lf r e ew a t e rs u r f a c ef l o w so v e rb i - t u n n e ls p i l l w a y o b t a i n e dh y d r a u l i c p a r a m e t e r si n c l u d ev e l o c i t i e sa n dd i s t r i b u t i o no fp r e s s u r e ，e t c t h es i m u l a t i o na l s or e v e a l st h e d i s t o r tf o r mo ff r e ew a t e rs u r f a c ei nw e i rc r e s t i no r d e rt oi m p r o v l a gi n l e tf l o wp a t t e r n , e l i m i n a t i n gl a r g en e g a t i v ep r e s s u r e i nw e i rc r e s ta n db a l a n c i n gt h ef l o wr a t ed i s t r i b u t i o n b e t w e e nt w oc h a n n e l s n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm o d e lt e s ta r ec o m b i n e dt 0g e tp r o s p e c t i v e i n l e tc o n f i g u r a t i o na n do v e r f l o ww e i rs h a p e ，a n dan e w t y p eo fw a t e rg u i d ew a l li sp r o p o s e d ( 2 ) t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c si na b r u p te n l a r g i n ga n da b r u p tf a l l i n gs e g m e n to fa r cg a t e n l 西安理工大学博士学位论文 a r es t u d i e db ym e a n so fm o d e lt e s t s t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tn e g a t i v ep r e s s u r ee x i s t si nt h e r o o fo fp r e s s u r et u n n e lo u t l e ta n do p e nc h a n n e ls e g m e n t , s t r o n gw a t e r - w i n go ns i d e w a l l , u n s t a b l ef l o wi no p e nc h a n n e l a n da l s ol o wc a v i t a t i o nn u m b e r , s m a l lb o t t o mc a v i t ya n d i n s u f f i c i e n ta e r a t i o ne x i s ti n 嘶g i n a ld e s i g n a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，t w os c h e m e sf o rs h a p e o p t i m i z a t i o na r er e c o m m e n d e d ( 3 ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf o rt h et w or e c o m m e n d e ds c h e m e si n c l u d ef l o wp a t t e r n , s i z eo f t h ew a t e r - w i n g , l e n g t ho fb o t t o mc a v i t y , s i z eo fu n - a i r f l o wa r e a , p r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f s i d e w a l la n db o n o m c a v i t a t i o nn u m b e ra n da e r a t i o np e r f o r m a n c e , a n ds oo n t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n ts h a p ef a c t o r so nh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa b r u p te n l a r g e m e n ta n da b r u p tf a l l s e c t i o na r ea n a l y z e d , e s p e c i a u yi n f l u e n c e so fs i d e e x p a n s i o no i lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no f s i d e w a l l 、s i z eo fu n - a i f f l o wa r e aa n df l o wp a a e r n f r o mt h ev i e wo fm i n i m u mp r e s s u r ed u et o j e ti m p a c ta n dr e f l e c t i o n , u n f a v o r a b l es i d ee x p a n s i o nw i d t hi sp u tf o r w a r d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c hw i t hp a r t i a lo p e n i n gs h o w st h a ts o m es p e c i f i cp a r t i a lo p e n i n gc o n d i t i o n sm a yr e s u l ti n t h ew o r s tc o n d i t i o n ( 4 ) b c a t a u s et h e r ee x i s t su n - a i r f l o wa r e ao ns i d e w a l lw h i c hi sd i f f i c u l tt ob ea e r a t e d c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f a b r u p ts p r e a d i n go ra b r u p tf a l l i n gs e g m e n to fa r cg a t ei ss t u d i e db y m e a no fv a c u u mm o d e lt e s t i ts h o w st h a tc a v i t a t i o nm e c h a n i s mi ns i d e w a l li m p a c t i n g r e f l e c t i o na r e ai sc o m p l e x ( 5 ) c a v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs i d e w a l lu n d e rd i f f e r e n tw a t e rl e v e la n dd i f f e r e n t s h n i l a r i t yv a c u u mp r e s s u r e sa r ed i s c u s s e df o rd i f f e r e n tr o u g h n e s sa n ds m o o t hw a l l 。u n d e r s p e c i f i cw a t e rl e v e lo rs p e c i f i co p e n i n g , f l o wc a v i t a t i o np e r f o r m a n c em a yb et h ew o r s t , a n d n o i s ep r e s s u r el e v e la n dr e l a t i v en o i s ee n e r g yi n c r e a s eq u i c k l y w h e nt h eh e i g h to fc o n v e x b o d i e se x c e e d sc e r t a i nv a l u e ，c a v i t a t i o nm a yo c c u ru n d e ra l ld i f f e r e n tw a t e rl e v e l s ( 6 ) t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h r e ed i m e n s i o n a lf l o wo fo u t l e to f a b r u p ts p r e a d i n go ra b r u p tf a l l i n gs e g m e n to fa r cg a t e t h es i m u l a t i o nf o u n dc a v i t ys t r u c t u r e ， w a t e r - w i n go fs i d e w a l la n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n i n f l u e n c eo fv o r t e xi nj e ti m p a c tr e g i o no n a e r a t i o ni sd i s c u s s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ej e tc a nf o r ma s t r o n gv o r t e xa ti m p a c tp o i mb o t h o nb e da n ds i d ew a r s o nt h eb e d ，t h ev o r t e xs u c ki n t oa i r 0 1 1t h es i d e ，t h ev o r t e xm a yb e c o m e as o n r c eo fc a v a t i o n k e y w o r d s ：w a t e rd i s c h a r g es t r u c t u r c ；a b r u p te n l a r g i n ga n df a l l i n g ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；a i r e n t r a i n m e n ta n dc a v i t a t i o na l l e v i a t i o n ：d e s i g no p t i m i z a t i o n 主要符号表 主要符号表 弧形闸门出口宽度 侧扩宽度 压力洞直径 跌坎高度 相对噪声能量 相容积分数 佛如德数 噪声频率 弧形闸门出口高度 跌坎下泄槽坡度 声压 流动压力 速度矢量 速度矢量 速度分量 脉动速度 流体密度 紊动能 紊动能耗散率 紊动粘性系数 动力粘性系数 水流空化数 真空度 相似真空度 通用变量 变量痧的扩散系数 变量西控制方程的源项 6 越d d e f乃厂厅，p p y | t 辑 矿 p 七 f 所声仃 叩0 s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外。论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 论文作者签名：三! i ! ! 塑，湃 ，。月工用 l 。 学位论文使用授权声明 在导师的指导下龟0 作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位沦文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：导师签名： - 年 o 疑五 & 鬟 第1 章绪论 1 绪论 1 1 研究背景和意义 随着国民经济的快速发展，大规模水电开发已经成为我国解决能源问题的一个重要途 径。特别是高坝大库水利枢纽的兴建，使泄洪消能问题成为水电工程设计中的关键性技术 难题“1 ，它不仅影响水工枢纽的布置，关系工程量与投资，如果处理得不好，就会产生恶 劣流态，对泄水建筑物本身造成损害，并造成下游河床严重冲刷，直接关系整个大坝安全 运行。泄洪设施一般有设在岸边的溢洪道、泄洪洞，设在坝身的表面溢流坝( 孔) 和泄洪 底孔、深孔等。对于中小型工程，泄洪设施一般比较单一，对于高水头大流量的大型工程， 由于受布置上的限制，都采用多种泄洪设施联合泄洪的方式。如在建的溪洛渡水电站校核 流量达5 2 3 0 0 m 3 s ，而坝轴线处的河道狭窄，采用坝身表孔深孔分层泄洪，通过优化坝身 可以宣泄3 0 0 0 0 m 3 s 流量，其余2 2 3 0 0 m 流量贝| j 通过设在岸边的泄浃洞来完成。 泄水建筑物中水流的流态主要受衔接转换段的控制，如溢洪道泄槽中的流态取决于引 水渠和溢流控制堰的布置与形式，而泄水建筑物的破环也往往发生在水流流态转化的部 位，如“龙抬头”泄洪漏的空蚀发生在紧邻反弧段的下游，而弧形闸门突扩突跌出口段下 游侧墙也是空蚀破坏易于发生的部位“1 。因此，深入研究水流转换控制段的水流特性，对 于水利水电工程的建设具有重要的意义。 对于岸边溢洪道，由于地形的限制，引水渠往往存在一定程度的平面转向，这就导致 水面产生不同程度的横向比降，甚至出现回流或漩涡，不仅增大水头损失，如果其影响达 到下游泄槽急流段，还有可能产生急流冲击波，致使水流自由水面波动，或贯顶或溢出， 直接威胁泄水建筑物乃至大坝的安全，而溢洪道控制部分溢流堰也存在不合理负压导致流 动不稳定及空化空蚀等闯题。 由于水库放空或泄洪的需要，许多工程需要设置深孔或高水头泄洪洞，如天生桥一级 底孔作用水头高达1 0 2 m ，闸门的止水、结构和运行安全问题日益突出。高坝深孔出口 般以弧形闸门挡水，弧形闸门具有启闭力小，水流顺畅，不易产生流激振动等优点，并采 用偏心铰或伸缩式水封止水方案。偏心铰和伸缩式水封止水方案要求闸门门座做成侧向突 扩和底部突跌的形式，一方面有利于采用偏心铰弧门同曲液压密封止水，另一方面突扩突 跌形成了气流通道，从而将闸门止水与掺气设施有机的结合起来。 漏内水流离开f 1 座射出有压漏日骺，四周悬空沿水平与垂直两个方向扩散，与侧扩的 边墙间形成侧空腔，与跌坎下底板问形成底空腔，底侧空腔相互贯通成为掺气通道，可以 对下游固壁形成保护。但是弧形闸门出口段水流是从有压流变为无压流，压强变化大，加 之体型突变，流动形态十分复杂，如果体型设计或施工稍有不当，不仅会恶化水流流态， 在高速水流的情况下还可能引发空蚀破坏，如美国的得沃歇克、巴基斯坦的塔贝拉、中国 的龙羊峡等”“1 。目前人们对突扩突跌门座的水流特性认识不够充分，加上己建工程中有 破坏的实例，且原因众说不一，使得设计和决策人员对其应用表现出较大的担心。如我国 西安理工大学博士学住论文 三峡工程曾对泄洪深孔突扩突跌体型方案进行了重点研究”“1 ，由于侧墙存在低压区，水 流脉动强烈，且得不到有效掺气等问题，并考虑三峡大坝泄洪孔口多，结构复杂且常规止 水亦可满足要求等具体情况，最终放弃了突扩突跌方案。因此，深入研究弧形闸门突扩突 跌段的水流特性，特别是空化和惨气特性，对于突扩突跌型门座的推广和应用，提高深水 闸门的应用水平具有重要的意义。 1 2 泄洪洞弧形闸门突扩突跌门座应用状况及存在的问题 止水装置是闸门最重要的部件之一，而水封的结构形式又是影响闸门止水效果的关 键，常规的预压式止水已难以满足高水头闸门的封水要求。近年来，国内外对弧形闸门的 止水型式进行了积极探索，目前，应用于工程实践的高水头弧形闸门的止水型式有偏心铰 压紧式、液压伸缩式和活动转铰式3 种类型”1 。3 种不同的止水型式有各自的结构特点和 适用水头范围，国内对于设计水头5 0 8 0 m 的深孔弧形闸门，一般多采用滑动转铰式止 水：8 0 m 以上水头的弧形闸门，多采用偏心铰式或液压伸缩式止水。由于偏心铰式止水 运行最安全，止水效果最好，美国、法国、日本、前苏联等国家一般在设计水头大于5 0 m 时就开始使用带突扩门槽的偏心铰压紧式止水或液压伸缩式止水。无论偏心铰式或液压伸 缩式止水在结构上都要求突扩和跌坎门座，考虑到高速水流的空化和空蚀问题，突扩和跌 坎同时担负掺气的功能。 1 2 1 突扩突跌门座的应用情况 国外自上世纪5 0 代就开始推广使用突扩突跌形门座，国内也于上世纪7 0 年代开始偏 心铰式弧形闸门的研究工作，并已有许多个工程采用了突扩突跌门座方案，如小浪底泄洪 洞、龙羊峡泄洪底孔、东江放空洞等，国内外部分工程的主要参数列入表1 - i 。国外采用 偏心铰止水闸门的最高水头是1 3 6 m ( 巴基斯坦塔贝拉工程) ，国内采用偏心铰止水闸门 的最高水头是1 4 0 m ( d , 滞t 底) ：国外采用液压伸缩式止水闸门的最高水头是1 1 6 6 5 m ( 前 苏联萨彦舒申斯克工程) ，国内采用液压伸缩式止水闸门的最高水头是1 2 0 m ( 天生桥一 级) 。尽管在实际应用中大多数工程取得了成功的经验，但是由于偏心铰弧门门座结构特 殊，水流情况复杂，也有部分工程发生了空蚀破坏“ ( 1 ) 前苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站泄水底孔 该电站共设8 个底孔，底孔设计水头1 0 0 m ，弧门孔口尺寸5 m x 5 m ，两侧各突扩0 5 m ， 跌坎高7 m ，跌坎以下为混凝土衬砌。底孔于1 9 6 4 年建成，1 9 6 7 年投入运行，运行水头 为o 6 0 m 。1 9 6 8 年检查发现，在4 | l 、5 # 、8 # 孔的跌坎下游接近射流底缘的侧壁上发生 空蚀破坏，其中5 # 孔的空蚀坑深1 5 m ，宽5 m ，长1 s i n 。据资料分析，发生空蚀的原因 是施工时减小了通气管尺寸，且冬季运行时冰冻进一步减小了通气断面，从而导致通气不 足。 ( 2 ) 巴基斯坦塔贝拉工程泄洪洞 塔贝拉工程3 # 泄洪洞出口断面尺寸为4 9 m 7 3 m ，设计水头1 3 6 m ，两侧各突扩 2 第1 章绪论 0 3 1 m ，跌坎高度0 3 8 m 。1 9 7 4 年检查发现，混凝土陡槽底板上在残留的水泥砂浆块下 游发生空蚀，在闸下突扩边墙及跌坎下游底板的其他部位均未发现空蚀破坏。后来在陡槽 的起始段加设一挑坎兼作通气槽，空蚀现象未再出现。 表1 1 国内外突扩突跌式门座布置典型工程实例 t a b l e1 - lt y p i c a le n g i n e e r i n ge x a m p l e s 工程名称设计设计突扩跌坎泄槽运行建成 孔口尺寸 水头流量宽度商度底坡情况年份 ( 高m 宽m ) ( m )( m 3 s )( m )( m ) 三峡深孔7 0 2 1 0 08 9 80 52 01 ：5 未建 小浪底泄洪洞 1 4 08 1 04 8 5 4o 51 51 ：1 3 在建 龙羊峡底孔 1 2 01 5 0 05 7 0 6 2 01 ：5破坏过1 9 8 8 宝珠寺底孔 8 04 8 0 4l ，o 1 ：1 6 6 东江放空洞 1 2 01 6 2 56 4 7 5o 4o 81 ：5 天生桥放空洞 1 2 06 4 7 50 51 51 ：1 0 在建 漫湾冲砂底孔 9 0 53 5 3 50 61 o 前苏联克拉斯诺雅尔斯克 7 51 6 55 5o 57 o0 破坏过 1 9 6 4 前苏联努列克 1 1 05 6o 5o 61 ：3 31 9 7 2 前苏联罗贡 2 0 05 5 70 5 0 6 1 ：9 巴基斯坦塔贝拉 1 3 64 7 7 3 0 3 l0 5 81 ：8 破坏过 1 9 7 2 日本二濑 6 94 0 05 2 2 6o 1 90 2 5抛物线1 9 5 9 瑞典霍尔斯 1 8 52 5 31 00 4 美国德沃歇克 8 11 1 3 02 7 3 80 4 50 1 5抛物线 破坏过 1 9 7 2 ( 3 ) 美国德沃歇克泄水孔 该坝设有3 个泄水孔，孔口尺寸2 7 m x3 8 m ，设计水头8 1 m 。门座两侧突扩0 4 8 m ， 坎高0 1 5 m 。曾进行过一次护面涂料的对比试验，在右侧泄水孔不加护面涂料，中间泄 水孔则涂以0 9 m m 厚的环氧树脂，左侧泄水孔涂以1 3 m m 厚的环氧砂浆，且在闸门下游 1 5 2 m m 处涂料护面以突然间断方式和原砼连接。经过一个月泄水，三个泄水孔的明流 段遭不同程度的蚀损，尤其是左侧泄水孔左边墙环氧砂浆护面未端的空蚀最为严重，空蚀 区长约6 m ，深0 5 6 m ，高3 m 。有关分析认为，过流边界不平整体是导致空蚀破坏的 主要原因。 ( 4 ) 龙羊峡水电站泄水底孔 该底孔出口尺寸5 m x 7 m ，门座两侧各扩0 6 m ，跌坎高度为2 m 。1 9 8 7 年底孔首次运 用，过水历时5 4 1 7 小时，最高运行水头5 4 5 m ，汛后发现泄槽不同部位发生轻微破坏， 西安理工大学博士学位论文 但未作修复。主要破坏部位在泄槽分段结构缝两侧及下游。1 9 8 8 年第二次过水，历时1 3 7 小时，最高运行水头4 6 7 m ，汛后未予检查。1 9 8 9 年的第三次过水历时1 5 8 3 小时，最 惠运行水头8 9 m ( 最大流速达3 6 t r d s ) ，汛后检查发现，泄槽遭到严重破坏，破坏仍然发 生在结构分缝及其下游区域，最大蚀深2 5 m ( 跌坎后3 7 m 左边墙) 。有关分析指出，上 述破坏的可能原因是掺气不足、砼分缝不平、运行条件和设计条件有较大差异等。 1 2 2 突扩突跌门座存在的问题及研究现状 从上述工程实践资料看，突扩跌坎型门座存在的主要问题是侧墙容易发生空蚀破坏， 因此，对泄洪洞突扩跌坎水力学问题的研究主要为两方面，一是分析侧墙容易发生空蚀破 坏的原因，二是研究减免侧墙空蚀破坏的措施。 侧墙易于空蚀破坏的原因，除了壁面不平整等常规因素外，目前普遍认为主要与侧墙 的水力特性有关“。1 ，由于侧扩水流受到侧墙的折冲作用，冲击带下游的侧墙压力迅速降 低，在高速水流的情况下，还可能形成一定范围的负压区，在此情况下，只要边壁稍有不 平，都会给水流剧烈的扰动，进而出现空化空蚀。近年来，由于二滩等一些常规泄洪洞侧 墙也发生了空蚀破坏，侧墙空蚀问题逐渐引起我国学者的重视“7 1 ，在本论文研究期间， 聂孟喜等n ”对突扩突跌体型侧墙的压力分布特性进行了细致的研究，发现负压区呈椭 圆形分布，且负压区中心位鹭相对稳定，而侧扩射流冲击区压力脉动的幅度可达与时均压 力值相当的程度，表明脉动压力对水流结构有重要的影响。 减免侧墙空蚀破坏措施的研究主要是掺气减蚀”。突扩突跌型门座特有的体型形成 了自然的掺气通道，但是，单纯按止水考虑设置的侧扩与跌坎，很难满足掺气与减蚀的需 要，为了保证形成侧空腔与底空腔相连的良好的掺气通道，必须对其体型进行优化研究。 目前常用的优化措施包括选择合理的侧扩宽度、跌坎高度、洞顶压坡、下游坡度、加设挑 流坎及侧向折流器等2 “。 1 。3 泄水设施c f d 分析研究进展 计算流体动力学最早是在航空领域发展起来的，可以追溯到上世纪的3 0 4 0 年代嘲， 水利工程中5 0 年代英国索斯韦尔就研究过二维过坝水流数值求解方法，6 0 - 7 0 年代相关 的研究才多了起来，9 0 年代以后，流动数值模拟技术锝到了迅速发展，并在航空、航天、 能源，石油、化工、动力、气象等各个领域得到广泛的应用”。和其他领域一样，c f d 技术在水利领域的研究也经历了势流模型、边界层模型和紊流模型的发展过程，并从简单 的二维问题向复杂的三维问题深入。 在5 0 年代到8 0 年代受计算机能力和计算技术的限制，在流体工程流域，入们根据不 同问题的特征，采取不同的假设简化控制方程，这对于减小计算工作量、降低存储要求和 提高求解效率很有意义。如水利工程中流动的雷诺数比较大，对于诸如溢流坝面上的流动， 粘性的影响一般仅限于边界层内，若不考虑水头损失，可以忽略水流的粘性，若进一步假 设流动无旋，流动控制方程就可以简化为势流的l a p l a c e 方程，水利工程中的流动大都具 4 第1 章绪论 有自由表面，控制方程的求解同时必须和自由表面位黄的确定联系起来“，如v a r o g l u e 提出了基于流函数变分原理的自由表面确定的方法，丁道扬提出了基于自由表面位移特 性的自由表面迭代方案，方程离散主要方法有有限元法“7 。“，差分法“3 1 和边界元法 2 1 3 0 势流模型可以得到压力和流速的分布，可以解决一些比较简单的溢流问题m “，丁道扬协1 对三峡深孔体形进行了探讨，在原设计的基础上，对深孔顶部侧向收缩曲线及底部渥奇段 曲线进行了参数优化，提出了适应三峡工程泄洪条件的初步修正方案。 势流模式不考虑粘性，不能计算流动的损失，其应用有很大的局限性，因此也不能正 确得到溢流坝的流量系数。所以主流区采用势流模型而近壁采用边界层修正的耦合模式在 8 0 年代和9 0 年代初是计算流体动力学主流的计算办法，特别在航空领域的应用很普遍， 因为这种方法可以比较准确的预测无分离型机翼上的压力分布和摩擦阻力。水利工程中， 我国的郑邦民”、温贤云嘲1 、郑克强。1 和丁道杨“等都将这边界层耦合模式应用于溢 流坝带自由表面的重力流中，取得了不错的效果。 水工水力学中固然不乏边界层型流动的实例，但是由于水利工程中流道一般很长，边 界层很快就会发展至水面或整个流动区域，而不只是壁面附近的一薄层，对于诸如消力池 中的复杂流动，更不是边界层理论所能描述的。早在6 0 年代初，西方发达国家就开始研 究紊流数学模型和直接求解雷诺平均的n - s 方程，并逐渐在航空，机械、能源，水利等领 域应用开来。k e l l e r 最早把紊流数学模型引入溢洪道的计算，r o d i ”“于1 9 8 0 把紊流数 学模型系统的引入水利工程，为该方面的研究和应用奠定了良好的基础。国内水利工程界 紊流数值模拟基本上是8 0 年代后期起步的，针对流速高、紊动强烈、自由面问题突出等 特点，发展了自己的一些适应水工水力学特点的模型，如叶坚、窦国仁“”的j j 一占一s 模 型，张云等”1 的各向异性七一f 模型等。 金忠青r 3 4 | 陶文铨“及陈景仁教授“1 的著作极大的推动了紊流数学模型在水利工程 界的推广与应用。顾兆勋、许卫新伽州对水跃进行了研究，许唯临、杨永全伽“1 对水 中射流进行了研究，王奇峰“、张庄“钉对溢流坝反弧段的紊流进行了数值模拟研究，戴 会超“”计算了消力池内的流场，李国栋1 对明流泄洪洞全流场数进行了数值模拟研究， 何子干“、支道枢脚1 、赵文华 4 7 1 张庄”。、苏铭德“”等对多级孔板内消能工进行了研 究。 9 0 代后期以来，由于计算技术的进步和计算机性能的提高，紊流数值模拟逐步向三 维方向发展“，计算流体力学逐步进入辅助解决工程问题的阶段”“。金忠青、王玲玲、 戴会超“制等在三峡工程大江截流和明渠通航中，通过数值模拟得到了分流比、龙口流 速、明渠流态等重要的水力参数，为大坝的顺利截流和安全通航提供了科学依据。 戴光清“、许唯临”“、刁明军6 2 1 等采用紊流数学模型成功对多股淹没射流作用下 水垫塘内三元流动进行模拟，获得了水垫塘内复杂的流动形态和压力分布，阐述了其消能 机理，邓军m 1 、杨忠超1 等的研究在自由面的处理上应用了v o f 方法，且比较精细，这 些研究先后在拉西瓦，溪洛渡、向家坝等大型水电站工程的泄水孔布置和水垫塘优化中应 西安理工大学博士学位论文 用。 在泄洪洞方面，许联锋懈对明流段流场进行了三维模拟，李玲”1 进行了防空蚀体型 的研究，刁明军”、邓军“1 、沙海飞“”把研究扩展到整个泄洪洞的研究，甚至包掺气设 施。获得的结果包括水面线，流速、压力、水流空化数和通气量等，这些研究也是结合溪 洛渡，小湾，二滩等大型工程进行，对于泄洪洞体型的优化、掺气设施的布置起到了积极 的作用”7 ”。 曲景学、董建伟 7 。”等在柱坐标系下，对孔板式泄洪洞内的流场进行了数值模拟研 究，得到了压力分布，流场结构等水力要素；张昌兵 7 把模拟扩展到对空化问题的研究。 夏庆福”等则采用数值模拟研究了洞塞式泄洪洞内的流场，对洞塞消能工的布置进行了 优化，给出了各级洞塞布置的最短距离。张建民7 9 等对突扩突缩式内流消能工的数值模 拟着重研究收缩比对消能及空化特性的影响，结果表明，与孔板式消能工比较，洞塞式消 能工能够显著增加消能率并具有良好的抗空化性能。田忠舯等提出了组合式洞塞内流式 消能工，对其数值模拟研究表明，与普通洞塞式消能工相比，组合式洞塞消能工能显著提 高洞塞内的最小压强和水流空化数，并且不会明显降低消能率。 张晓东“”应用双方程紊流模型及基于水气两相流的v o f 方法数值模拟了竖井旋流 泄洪洞复杂的水流运动，得到自由水面，流速及压力等水力要素的分布规律，利用数值模 拟的结果对竖井的泄流能力和消能率进行了验证。杨朝晖等”更精细的模拟表明在研究 竖井旋流泄洪洞的泄流能力、涡室内的流态、涡室内最高水面、竖井空腔的尺寸及其空间 变化、涡室及竖井壁面压力等方面可得到与试验研究相一致的结果，认为在进行体型优化 过程中，可以采用数值模拟的方法对体型进行初选。牛争鸣阳1 等则用数值模拟研究了竖 井进流水平旋转段内的流场特性。 陈群“删等人最早对阶梯式坝面上复杂紊流流场进行了数值模拟研究，得到了坝面水 流的水面线、速度场、压力场等，与模型试验实测结果吻合较好。陈永明1 等通过数值 模拟的手段，研究了阶梯溢流坝的消能率，程香菊“”1 等采用水气两相流混合模型计算 了阶梯溢流坝面水气两相流的流速、掺气浓度、初始掺气点和压力等特征参数，深入研究 了阶梯溢流坝的消能机理。 李福田”等对高坝表孔宽尾墩内的流场进行了数值模拟，对不同流量与收缩比情况 下宽尾墩中出现的4 种流态均给出较好的结果，过流能力及自