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清原电站泄水建筑物水力特性的模型试验与水利工程论文数值模拟研究

时间:2018-11-16 00:16来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,现代大型水利工程,很多具有综合开发治理的特点,故常称“综合利用水利枢纽工程”。它往往兼顾了所在流域的防洪、灌溉、发电、通航、河道治理和跨流
本文是一篇水利工程论文,现代大型水利工程,很多具有综合开发治理的特点,故常称“综合利用水利枢纽工程”。它往往兼顾了所在流域的防洪、灌溉、发电、通航、河道治理和跨流域的引水或调水,有时甚至还包括养殖、给水或其它开发目标。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 研究背景及意义
目前世界各国的能源问题逐渐凸显,能源竞争所产生的一系列问题也日益严重,但是竞争的同时也使得新能源等一些无污染的能源技术出现。随着石油、天然气等化石能源的短缺,发现新的替代能源也成为目前一大趋势,可再生能源包括风能、水能、潮汐能等,其中水利水电的发展最为成熟和重要。安全泄洪是水利水电枢纽设施中的重要问题,泄洪消能设施是安全泄洪的重要枢纽在大坝枢纽中占主要地位。泄水建筑物的作用是涝期宣泄上游来洪、调节流量、发电;枯水期进行蓄水减少干旱、灌溉、兴利除害等。近些年来我国大坝发展迅速,在建和已建的一系列大坝,如溪洛渡、双江口等[1,2],这些大坝都技术先进、规模庞大,大大促进了我国筑坝技术的发展。对于泄水建筑物,足够的泄流能力是承担泄洪任务安全泄洪的前提,但是水流流量过高会带来很多不利于大坝的问题,如闸门震动、空蚀空化等危及大坝安全的问题,其次大坝消能问题对下游河道冲刷和枢纽安全影响很大,水利工程造价的 20%~40%被用在泄水建筑物上。在失事大坝中,由于泄流不满足泄洪要求,水工结构发生破坏,甚至产生事故的大坝中,土石坝就达到了 44%以上。其次占大坝损坏的另一大因素是泄水建筑物泄流能力不足,在目前已建大坝中泄流能力不足造成大坝损坏的占失效总数的 23%[3,4]。在工程上由于水流条件、地形地质等诸多因素的影响,每个工程又千差万别,在每个工程上的应用,不可能适用于所有工程,只能依据各自经验去借鉴。因此模型试验便提供了一个很好的方法,一是其造价相对实际工程很低,第二,模型的研究理论已趋于成熟,其结果相对可靠,在很多工程中均有很好的效果,比如柘林泄洪洞在原型观测与模型试验结合下提出的掺气消能墩和超空穴体形,使其未再发生破坏[5,6]。
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2.模型设计及试验工况
 
我国水利水电建设发展迅速,一般工程的实际应用都应采用模型试验进行可行性验证。水利界针对模型试验的研究时间很长,目前对各种水利条件的分析研究,已经总结出了许多成熟的理论成果与规律。然而,水力学问题复杂、多变,因为多数水利工程的地形地质、水力条件、以及设计因素不同,每个工程的设计不能直接生搬硬套,不同的设计应用不能直接应用于工程建设,需借助模型试验来进行验证。水工模型试验是按照工程设计,按一定比尺根据相似准则缩建成模型,来模拟复杂水流下工程设计的水力特性。最终对模型的试验结果进行分析,发现问题,进一步改进方案,从而避免了工程设计失误造成的损失。本文针对清原抽水蓄能电站下水库的泄洪洞和溢洪道,基于模型试验,对底流消能的消能方式以及一系列水力特性的规律进行研究,为相似工程提供参考和理论经验支持。
 
2.1 工程概况
辽宁清原电站位于辽宁清原县内,电站为蓄水发电的综合型电站,汛期泄洪发电,平时供水灌溉。工程由下水库、水道系统等水工建筑物组成,溢洪道和泄洪洞均放置在右岸,本次试验以下水库整体模型试验为依据。本工程等别为一等工程,涉及防洪问题的建筑物设计洪水标准为 200 年一遇,洪峰流量为 570m3/s;校核洪水标准为 2000 年一遇,洪峰流量为 1056m3/s[41]。下水库位于浑河支流,泄水方式采用泄洪洞和溢洪道共同泄洪。
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2.2 模型设计及制作
 
2.2.1 模型试验的目的和内容
模型通过清原水库模型试验,目的为:测定溢洪道和泄洪防空洞的过流能力、水面线、流态、动水压力等水力学特征;从水力条件的角度,论证导流方案的可行性,对导流建筑物的结构型式进行优化。试验内容有:结合各工况的泄流能力得出水位~流量关系曲线;对泄洪洞和溢洪道泄水建筑物的压强、流态和脉动压强等水力特性进行分析,并对负压出现部位进行修改;观测溢洪道与泄洪防空洞联合泄洪时下游河道冲刷情况,避免除吃水流冲刷及下游岸坡的安全,并提出下游两岸防护范围和消能防冲措施。
 
2.2.2 模型设计与制作
本工程的整体模型试验采用几何比尺为 1:50,其他物理比尺如表 2-1 所示,采用重力相似准则设计,为局部动床清水模型。动床范围从泄洪洞护坦末端和溢洪道护坦末端开始到下游溢 0+356.88 断面,右边离溢洪道轴线相距 80m,左边相距溢洪道轴线75m,动床尺寸长 131.16m×宽 155.0m×深 15m,最低点高程为 263.0m。为观测下游冲刷,局部动床模型范围从泄洪放空洞消力池下游护坦泄 0+556.00 断面和溢洪道消力池下游护坦溢 0+225.72 断面开始,到下游溢 0+356.88 断面即距溢洪道溢0+225.72 断面 131.16m 动床的右边位于溢洪道轴线右边 80m,动床的左边位于溢洪道轴线左边 75m,范围为长 131.16m×宽 155.0m。范围为长 131.16m×宽 155.0m。动床深度约为 15m,最低点高程约为 263.0m。模型的平面布置示意图如图 2-1,可见动床范围。
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3.原方案泄流能力与水力特性分析 .............14
3.1 泄水建筑物全开泄流能力..............14
3.2 原方案水流流态........20
3.3 原方案各断面水深与流速..............25
3.4 原方案各断面掺气水深估算..........28
3.5 原方案各段压强分布...........30
3.6 本章小结.........34
4.修改方案水力特性 ...............35
4.1 修改方案的形成.......35
4.2 修改方案水力特性分析.......35
4.3 护坦流速优化............49
4.5 本章小结......... 59
5 底流消能数值模拟............... 60
5.1 紊流模型理论............ 60
5.2 模型建立......... 60
5.3 模拟结果分析............ 61
5.5 本章小结......... 65
 
5 底流消能数值模拟
 
5.1 紊流模型理论
目前流体流动都是湍流流动,模拟的前提首先就是要考虑湍流问题。对湍流的模拟大都是在湍流尺度内求解三维 navier-stokes 方程的模拟,然而目前的计算及容量和速度都不能解决这类问题。目前工程采用的方法仍然是由 Reynolds 时均方程出发的模拟---RANS 法。RANS 法是利用一些加设,将 Reynolds 时均方程或湍流特征方程中的高阶未知量用低阶关联项或者时均量来表示,来使 Reynolds 时均方程封闭[57]。目前人们已经可以通过数值模拟来对湍流进行模拟,并且取得的模拟结果较为理想[58-63]。数值模拟是研究流体力学中一个重要方法,边界条件设置合理、模型建立精确的话,便能够快速、准确、全方位的获得丰富的水力参数。目前计算机硬件发展迅速,对于数值模拟的发展与普及起到很大作用,目前水利行业对计算流体力学的应用日益广泛,计算流体力学中主要的方程为连续性方程、能量守恒方程和动量方程[64]。紊流模型有数种,每种模型都有其优劣。
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结论
 
(1)原方案溢洪道布置合理,溢洪道在设计水位 319.00m 时,试验下泄流量较设计计算下泄流量大 37.0m3/s,约大 9.18%;在校核水位 320.16m 时,试验下泄流量较设计计算下泄流量大 42.8m3/s,约大 8.79%。泄洪放空洞在设计水位 319.00m 时,试验下泄流量较设计计算下泄流量大 18.1m3/s,约大 2.98%;泄洪洞在校核水位 320.16m 时,试验下泄流量较设计计算下泄流量大 20.5m3/s,约大 3.28%。
(2)溢洪道设计洪水位 319.00m 和校核洪水位 320.16m 的流量系数均取 0.461;泄洪洞设计洪水位 319.00m 和校核洪水位 320.16m 流量系数均为 0.90。
(3)溢洪道进口段与洞身段的流态平稳良好,在设计洪水位 319.00m 时水跃跃首溢0+127.720 断面附近,当库水位升至 320.16m 校核洪水位时出现远驱水跃;泄洪洞设计洪水位时水跃跃泄 0+458.00 附近,校核洪水位 320.16m 时出现远驱水跃,消力池出现远驱水跃说明消力池尺寸不够,设计尺寸偏小。
(4)对溢洪道的掺气水深进行估算泄槽陡坡段设计边墙满足下水库溢洪道设计和校核水位估算的掺气水深加安全超高的要求;泄洪洞校核洪水位 320.16m 流量 644.5m3/s 平均水深为 6.40m,摻气水深 6.55m,净空面积为 12.80%偏小(泄洪放空洞尺寸为宽 6.0m×高 8.0m,直墙高度 6.30m)泄洪洞无压洞身段边墙高度不满足泄流要求,边墙直墙高度需加高。
(5)试验对压强测量表明,溢洪道各断面压强均为正值,压强沿程变化平滑无负压出现。泄洪洞洞身段末端在泄 0+426.000 断面与陡坡扩散段底板是折线连接,该断面后泄0+426.940 断面出现负压,负压值在(-0.5~-3.0)×9.8kPa 之间变化,该断面的流速在15.0m/s~21.0m/s 之间变化,因此试验折线连接断面采用抛物线连接,抛物线方程为y=0.01x2+0.0225x。泄洪洞其他部位压强在各工况下均为正值,说明压强分布合理。
(6)修改方案将溢洪道泄槽和消力池底板连接段采用一半径为 30.0m 的反弧曲线,消力池底板高程下降 2.0m,变为 271.0m,池宽由原来的 8.0m 变为 10.0m,护坦长度由原来的 30m 长变为 40m 长;泄洪洞坡比由原来的 i=0.0225 变为 i=0.028,在洞出口和消力池前1:3 陡坡衔接段采用一抛物线,其方程为 y=0.01x2+0.028x,消力池底板降低 1.5m,变为271.5m,池宽 10.0m 不变,护坦由 30m 加长至 40m。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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