文摘

温热条件在某水库溢洪道结是设置为工程背景。液压相似模型试验和三维数值模拟水流的水力特性。外流的能力、流动状态分析、速度分布、水面线,压力,和能量耗散率进行了分析,实验结果与数值计算结果进行比较。结论表明,流动特性的数值结果非常近似实际的实验结果,多变的法律是相同的,和他们的能量耗散率基本上是一致的;它展示了三维数值模拟的可行性;结论可以提供优化的基础流动状态的温热溢洪道在未来。

1。介绍

梯形磨溢洪道是广泛应用于水利工程(1]。它有很多优点,例如,好的能量耗散效率,小工程数量,和低成本。水面上的调查线,能量耗散率、曝气特点,摩擦系数,规模效应模型的温热溢洪道逐渐重视[2- - - - - -4]。深入调查执行(5),它是意识到宏观水力参数连接(6)与水的流场结构。流场的调查方法开发从最初的模型试验方法结合模型试验和三维数值计算的湍流7]。流出能力、水面线、流速分布、结合张峰水库等模拟由Li et al。8),其结果与实验结果相吻合(9];流出能力和水面线side-slot溢洪道进行了分析与比较来验证水力计算的有效性,燕et al。10];然后,温热的能量耗散溢洪道探索基于流速由张et al。11和沈et al。12]。温热的影响因素分析了溢洪道的Zhang et al。13];物理模型和数值模拟采用顶华和Mattioli14]分析了梯形磨溢洪道水力特性;上述调查的发展极大地提高了水力特性的理论和数值结果可以通过实验的验证(15- - - - - -17),因此数值与实验测试方法已经广泛应用于水的流动状态模型,特别是对溢洪道(18- - - - - -20.]。摘要温热条件溢洪道的流动特性模拟,并与实验结果比较;结论表明,该方法是可行的。

本文的组织结构如下:在部分2,介绍了研究区域的工程背景;节3水工模型试验,介绍了水力特性;节4执行,关于水力特性的数值模型;节5数值结果与实验结果进行了比较;节6,得出了结论。

2。工程背景

特定的水库是一个多年调节治水工程在山区;小(1)型的大小。第四工程水平,水库总容量 米3;其死水位1896.22米,正常存储水位1927.88米,设计洪水位1929.02米,整理洪水位1930.01米。

的温热的右岸溢洪道位于水库;这是一个侧槽溢洪道;韦斯选择实用堰溢流堰。溢洪道的初始调节水位1927.88米;堰的波峰高度是一样的一个初始调节水位。

溢洪道的总长度是243米。它由侧堰部分,调整部分,梯子能量耗散部分,和消力池部分。整理下排水洪水位条件 米3/ s。在设计洪水位条件下排水 米3/ s。溢洪道绘制在图的部分布局1。


图1
溢洪道的部分布局。

3所示。水力模型试验

3.1。实验方案

模型的计算范围描述如下:溢洪道的总长度是315米;侧堰部分是20米的长度,一个调节部分是15米,梯子耗能部分之一是190米,消力池的部分之一是21米,和尾水渠通道的部分之一是69;重力相似准则是根据模型设计,采用正常模型,几何模型的规模 ;其他类似规模的水力参数如表所示1。平面布局模型的绘制在图2。完整的视图的模型如图3。

表1
液压参数相似条件下的重力相似。

图2
的平面布局模型。

图3
在实验室的全面视图模型。
3.2。制造和安装的材料

实验材料的选择必须近似实际材料的粗糙度来反映实际水溢洪道的流动状态。根据重力相似的原则(21),它可以表示如下:

实际放电的粗糙结构 ,所以实验的粗糙度可以计算放电结构 。粗糙度对有机玻璃材料的范围一般在0.007 ~ 0.009,所以选择有机玻璃材料的溢洪道模型(22]。

实验装置的要求列出如下:平面导线的布局是由模型的形状和范围。导线的轴承是由经纬仪控制,允许偏差为±0.1°,海拔模型由水平,控制和精确的要求应满足(23,24]。

显示了实验精度的要求如下:宽容的高程误差对结构模型是±0.3毫米;红衣主教的宽容错误点的水平和零点调查±0.3毫米。

3.3。测试方法
3.3.1。水的供应设施

水工模型实验的供水设施由水箱、动力泵,水塔,分配管、回水罐等。

3.3.2。实验测量仪

水位测量仪器和水面线:水位计和钢规和水平测量采用恒流的水位。一个压力表的选择压力的监测。

流速的测量仪器:LGY-III-type多功能智能电流表和监控采用皮托管流速。

流量的测量仪器:采用矩形薄壁堰监控恒流的流量。衡量堰的类型应符合要求的范围和精度。

3.3.3。矩形薄壁堰的计算公式

它可以表示如下25]: 在哪里 堰水头,米; 的高度是堰,m;和 堰的宽度,m。

4所示。数值模拟

Flow3D采用仿真软件模型的相关实验。侧堰部分,控制部分,梯子放电能量耗散部分坦克,消力池部分,和尾水渠通道部分都包含在计算范围;它是绘制在图4。采用原型的模拟。最初流入部分位于20米的WES堰上游的模型。出口通道位于下游的模型。模型的总长度是315米;采用压力进口边界条件的水和进气口。压力都是大气压力边界的进气口。出口的边界远侧堰部分,和连续排放槽相当,所以几乎没有影响湍流的通道。即不同物理量沿路径的改变往往是常数。防滑涂层表面的边界条件采用墙。 The method about the standard wall function is adopted to deal with a viscous bottom layer. The flow field of the side channel spillway is calculated and simulated when the water level of the reservoir, respectively, arrives at design and collated flood level. Only the entrance section of the spillway is analyzed in the paper.


图4
3 d模型和边界条件。

5。结果和分析

5.1。外流的能力

验证结果的准确性,流出的能力韦斯在溢洪道侧槽,分别见表2根据数值和实验结果;它可以发现在桌子上2数值结果与实验公司基本上是坚持;在设计洪水位条件下,数值结果的大小(4.17%)高于实验结果之一;在整理洪水位条件下,数值结果的大小(1.43%)高于实验结果之一。

表2
在不同条件下的放电容量。
5.2。流动状态的分析

水工模型试验的结果表明,在设计洪水位条件下,水的流动状态的堰保持稳定,水面的波动小,水流在堰是光滑的;它是绘制在图5(一个)照片。当水进入一边的波峰堰堰部分,因为轴线之间的交集溢洪道和堰是99°,水流影响的侧壁。横向循环生成的边槽,水冷壁是在正确的银行之间的碰撞后形成的水流和侧墙。右岸的水深大于在左岸在同一横截面,和水流的宽度和高度随着流速的增加而增加。在整理洪水位条件下(图5(一个)照片),表面流堰波动,因为大流量和入口前堰的收缩性。当水进入侧堰部分,喷雾是引起横向环流的相互碰撞。水流的波动,而暴力;水冷壁的高度在正确的银行到达6.38米。它的大小小于设计侧墙的高度8.73米。

(一)设计洪水位条件
(一)设计洪水位条件
(b)整理洪水位条件
(b)整理洪水位条件
图5
流侧槽的状态。

数值模拟的结果准确模型侧槽中的流动状态。在设计洪水位条件下,它可以在图中找到5(一个)后水进入一边从溢流堰槽,它淹没在底部,然后在右侧冲墙,然后冲进水面(蓝线代表空气的运动);因为右边墙的约束,它又回到了左岸,明显的横向循环空气涉及到水后形成。漩涡的最大大小是一样的横向维度在边槽部分。水是暴力的波动;表面的水流混合到空气中。它也可以发现,在侧堰溢流属于免费设计洪水位条件下溢出。水舌侧槽进入底部的水,和反向螺旋运动时产生的水流从表面掠过。最后,水面的波动是触发。然后,进入排放水箱部分;逐渐变得稳定。 Under the collated flood level conditions, it can be found from Figure5 (b)水进入的侧槽溢流部分;水的流动状态类似于一个在设计洪水位条件下;水圆轮到达地表后向左边。它也可以发现,在整理洪水位条件下,水的振荡。水位差之间的表面左边和右边墙壁相当大。,在边槽流状态的数值结果与实验一致。

5.3。流速的分布

流速的分布在堰的截面设计和校核洪水位条件,分别绘制在图6(一)和6 (b)。在设计洪水位条件下,流动速度到达最大曲面上的溢流堰,和流速的变化达到最大。波动是暴力。表面的水流和空气,和旋转速度发生侧堰的底部;底部流速的大小明显小于表面流动速度。水位的前端侧堰的海拔高度在不同区段;这种状况是显而易见的,尤其是在整理洪水位条件。流动速度在7米的堰,堰和截面 , , 分别模拟;结果如表所示3;它可以发现在桌子上3堰上的流速,在设计或校核洪水位条件下,数值和实验之间的误差大小,分别为3.0%和7.11%;数值结果与实验结果基本上是一致的。

(一)设计洪水位条件
(一)设计洪水位条件
(b)整理洪水位条件
(b)整理洪水位条件
图6
横截面的速度分布流堰。
表3
入口处的速度分布。
5.4。水面线

在设计和校核洪水位条件下,水深度的比较数值解和实验值之间的边槽,调节部分,左边或者右边的墙壁,和排放槽部分,分别在数字7和8;图中的纵坐标代表水深,横坐标表示堆许多不同的横截面。放电的速度大,水的湍流是暴力,和水的波动相当大的实验,所以水深的最大和最小大小在右边墙在不同的经典横截面测量的实验(水在左边或右边墙排放槽部分在实验中相同)。它可以发现水深的计算值在不同的经典横截面基本上是水深的最大和最小值之间。数值模拟的结果基本与实验结果一致。尤其是温热排放槽部分的计算的大小与水深的最小大小完全一致。


图7
水深的对比数值和实验值在设计洪水位条件下侧壁。

图8
比较数值和实验值之间的水深下侧壁整理洪水位条件。
5.5。的压力

96监视点的压力排列溢洪道的路径;尤其是39侧堰节监视点排列。他们具体的平面布局的监视点,分别在数字9和10。


图9
压力品脱的平面布局。

图10
压力的纵向平面布局品脱。

根据相关研究(26),计算压力溢流堰的表面相当可靠的通过使用Flow3D,因此采用数值模拟分析堰表面的压力。溢洪道的压力分布沿路径绘制在图11;数值结果表明,负压不发生在WES堰溢洪道控制段(图(11日))。在设计洪水位条件下,最低级的压力面底部堰约0.45 kPa;在反向部分压力增加很大的离心力的作用下。最大大小发生弧形段的末尾,及其大小是大约38 kPa;最大压力出现在前面边舱的侧槽部分和控制部分;它可以在图中找到11 (b)在整理洪水位条件下,压力墙表面约0.6 kPa。在反向部分压力增加很大程度上也是因为离心力的作用;最大值发生在弧形段的结束;这是大约60 kPa。最大压力出现在前面的边槽部分侧堰和调节部分;它的大小约为56个kPa。

(一)底部的压力分布下的WES堰面设计洪水位条件
(一)底部的压力分布下的WES堰面设计洪水位条件
(b)顶部的压力分布下的WES堰面整理洪水位条件
(b)顶部的压力分布下的WES堰面整理洪水位条件
图11
的压力分布WES堰。
5.6。能量耗散率

在滑流条件下,温热的泄洪道,实现水的能量耗散之间的交换的分裂和曝气水的漩涡和湍流运动主流和底部。能量的消散效率梯子部分可以使用能量耗散率来衡量。能量耗散率被定义为能量消耗之间的比例从顶部堰的梯子和总能量。它的公式可以描述如下: 在哪里 是能量耗散率; 是水的初始能量;和 是能量在入口处消力池的横截面。温热的能量耗散率溢洪道根据数值模拟可以在两种不同条件下表所示4。

表4
溢洪道的能量耗散率。

水是非常暴力的暴跌。水的充气是显而易见的。能量耗散率的大小从数值模拟计算在设计洪水位条件下86.54%。一个实验是83.26%;在整理洪水位条件下,侧槽的水位很高;它属于淹没溢出,所以能量耗散的效率降低。在整理洪水位条件下,能量耗散率的数值模拟是78.15%,及其实验的75.32%。

6。结论

入口处的3 d数值模拟执行部分的温热溢洪道利用相关数值软件,和它的结果与实验结果进行比较;可以得出结论如下:(1)的流出能力WES堰表所示1根据数值模拟;它可以发现,数值结果与实验结果基本上是一致的,多变的法律是相同的(2)数值模拟的结果模型侧槽中的流动状态准确;在边槽流状态的数值结果与实验结果相吻合;流速的堰,在设计或校核洪水位条件下,数值和实验值之间的误差,分别为3.0%和7.11%;数值结果与实验结果基本上是一致的;对水面线的模拟,数值模拟的结果也与实验结果基本上是一致的;尤其是温热排放槽部分的计算的大小与水深的最小大小完全一致(3)当采用数值模拟计算和分析堰表面的压力,计算结果与实验结果是一致的;负压不发生在WES堰控制部分;能量耗散率的大小从数值模拟获得设计洪水位条件下为86.54%;一个实验是83.26%;在整理洪水位条件下,能量耗散率的数值模拟是78.15%,及其实验的75.32%。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

crossproject支持的这项工作是在南阳理工学院(230067),国家自然科学基金(41672357)、博士创业基金会(510126),四川科技支持计划(2020号yj0424),四川省和区域创新合作项目(2021 yfq0050)。